JP7129903B2 - Diaphragm for alkaline water electrolysis - Google Patents
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Description
本発明は、アルカリ水電解用隔膜に関する。より詳しくは、アルカリ水電解用隔膜及びこれを含んで構成されるアルカリ水電解装置に関する。 The present invention relates to a diaphragm for alkaline water electrolysis. More particularly, it relates to a diaphragm for alkaline water electrolysis and an alkaline water electrolysis apparatus including the same.
水の電気分解は、水素の工業的な製造方法の一つとして知られており、近年では水の電気分解を利用して余剰電力を水素やメタン等の気体燃料に変換し、貯蔵・利用するPower to Gasという技術が注目されている。このような状況の下、水の電気分解に関して種々の研究開発が行われており、水の電気分解において一般的に酸素と水素の混合を防止する等の目的で使用される隔膜やその好適な製造方法についてもこれまでに種々提案されている。 Water electrolysis is known as one of the industrial production methods of hydrogen, and in recent years, water electrolysis is used to convert surplus electricity into gaseous fuels such as hydrogen and methane, which are then stored and used. A technology called Power to Gas has attracted attention. Under these circumstances, various researches and developments have been carried out on the electrolysis of water. Various manufacturing methods have been proposed so far.
例えば、エアロゾルデポジション法により、微多孔膜の表面に、酸化チタン及び酸化ジルコニウムから選ばれる少なくとも1種の金属酸化物を付着させることを含むアルカリ水電解用隔膜の製造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、エポキシ樹脂、硬化剤及びポロゲンを含む樹脂組成物を調製する工程と、該樹脂組成物を用いて樹脂シートを得る工程とを含む、アルカリ水電解用隔膜の製造方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 For example, a method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis has been proposed, which comprises depositing at least one metal oxide selected from titanium oxide and zirconium oxide on the surface of a microporous membrane by an aerosol deposition method ( For example, see Patent Document 1). A method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis, which includes the steps of preparing a resin composition containing an epoxy resin, a curing agent, and a porogen, and obtaining a resin sheet using the resin composition, has also been proposed ( For example, see Patent Document 2).
水の電気分解を行う際に、電解液に直流電流を印加すると、通常、電解質中の陽イオンは陰極に、陰イオンは陽極に集まり、陽極室と陰極室との間をイオンが移動するため、電気分解を効率良く行うためには、隔膜が高いイオン伝導性を有することが望ましい。一方、陽極室で発生した酸素や陰極室で発生した水素等のガスが隔膜表面に付着したり、隔膜内に浸透したりすると、隔膜のイオン伝導性が低下してしまう。したがって、隔膜がそれ自体高いイオン伝導性を有するとともに、ガスの低付着性やガスを遮断し得るガスバリア性をも兼ね備えることが望まれるところである。 When a direct current is applied to the electrolyte during electrolysis of water, cations in the electrolyte usually gather at the cathode and anions gather at the anode, causing ions to move between the anode chamber and the cathode chamber. In order to perform electrolysis efficiently, it is desirable that the diaphragm has high ionic conductivity. On the other hand, if gas such as oxygen generated in the anode chamber or hydrogen generated in the cathode chamber adheres to the surface of the diaphragm or permeates into the diaphragm, the ionic conductivity of the diaphragm decreases. Therefore, it is desired that the diaphragm itself has high ionic conductivity, low adhesion of gas, and gas barrier properties capable of blocking gas.
上記特許文献1、2に記載の発明では、隔膜のガスの付着性(低付着性)やガスバリア性が測定・評価されているが、隔膜の更なる高性能化へのニーズは高く、隔膜におけるイオン伝導性を充分なものとしながら、ガスの付着性をより低くし、ガスバリア性をより優れたものとするための工夫の余地があった。 In the inventions described in Patent Documents 1 and 2, gas adhesion (low adhesion) and gas barrier properties of diaphragms are measured and evaluated. There is room for improvement in order to lower the adhesion of gas and improve the gas barrier properties while ensuring sufficient ionic conductivity.
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、イオン伝導性と、ガスの低付着性及びガスバリア性とを両立する方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned current situation, and an object of the present invention is to provide a method that achieves both ionic conductivity, low gas adhesion, and gas barrier properties.
本発明者らは、アルカリ水電解用隔膜におけるイオン伝導性と、ガスの低付着性及びガスバリア性とを両立する方法について種々検討し、多孔性支持体、並びに、該多孔性支持体に有機ポリマー及び無機粒子を含む樹脂組成物を含浸して得られる樹脂組成物層を有する隔膜に着目し、隔膜の一方の表面と他方の表面のそれぞれで、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置を所定の範囲内に調整した隔膜を作製した。本発明者らは、この隔膜が、アルカリ水電解用隔膜におけるイオン伝導性を充分に維持しながら、ガスの付着性がより低く、ガスバリア性に際だって優れ、使用後もその性能を充分に維持できるものであることを見出し、上記課題をみごとに解決することができることに想到し、本発明に到達したものである。 The present inventors have studied various methods for achieving both ion conductivity, low gas adhesion, and gas barrier properties in a diaphragm for alkaline water electrolysis. Focusing on a diaphragm having a resin composition layer obtained by impregnating a resin composition containing inorganic particles, one surface and the other surface of the diaphragm, respectively, the resin composition based on the surface of the porous support A diaphragm was prepared by adjusting the position of the layer surface within a predetermined range. The present inventors have found that this diaphragm has lower gas adhesion, remarkably excellent gas barrier properties, and sufficiently maintains its performance even after use, while sufficiently maintaining the ionic conductivity of the diaphragm for alkaline water electrolysis. The present inventors have found that it is possible to solve the above-mentioned problems, and arrived at the present invention.
すなわち本発明は、アルカリ水電解に用いられる隔膜であって、該隔膜は、多孔性支持体、並びに、該多孔性支持体に有機ポリマー及び無機粒子を含む樹脂組成物を含浸して得られる樹脂組成物層を有し、隔膜の一方の表面では、下記方法で測定される、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置が+20μm以上、+100μm以下であり、隔膜の他方の表面では、該平均位置が-10μm以上、+10μm以下であることを特徴とするアルカリ水電解用隔膜である。
多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置の測定方法:
(1)隔膜の一方の表面に対し、垂直に切断し、切断面をイオンミリング加工して得られた断面において、走査型電子顕微鏡を用いて、それぞれ幅方向の長さが160μmである、任意の5つの領域を選択する。
(2)各領域について、走査型電子顕微鏡を用いて撮影した、隔膜の一方の表面部分の拡大写真上、隔膜の一方の表面側の、幅方向の中点より左側の領域における多孔性支持体の端部と、幅方向の中点より右側の領域における多孔性支持体の端部とを結び、両端部間の幅方向の長さが120μm以上である直線を基準線Aとする。
(3)(2)の拡大写真上、基準線Aに平行な線を、該隔膜の一方の表面側とは反対側から該隔膜の一方の表面側へ走査した際に、該平行線の長さに対する、該平行線上における空間部分の長さの合計の割合が10%以下である充填部が終結する境界線を充填線Bとする。
(4)基準線Aと充填線Bとの距離Xを算出する。多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置を、平行線の走査方向において、充填線Bが基準線Aの手前であるときは-Xとし、基準線Aを超えるときは+Xとする。
(5)各領域について、走査型電子顕微鏡を用いて撮影した、隔膜の一方の表面とは反対側の表面部分の拡大写真においても、(1)と同様にして任意の5つの領域を選択し、各領域において(2)~(4)と同様にして基準線A′、充填線B′を求め、基準線A′と充填線B′との距離X′を算出し、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X′又は-X′を決める。
(6)各領域についての多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X又は-Xの平均値、及び、各領域についての多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X′又は-X′の平均値を、それぞれ、各表面での多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置とする。
以下に本発明を詳述する。
なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい形態を2つ以上組み合わせたものもまた、本発明の好ましい形態である。
That is, the present invention provides a diaphragm for use in alkaline water electrolysis, comprising a porous support and a resin obtained by impregnating the porous support with a resin composition containing an organic polymer and inorganic particles. Having a composition layer, on one surface of the diaphragm, the average position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support measured by the following method is +20 μm or more and +100 μm or less, and the other side of the diaphragm The diaphragm for alkaline water electrolysis is characterized in that the average position on the surface of is -10 μm or more and +10 μm or less.
Method for measuring the average position of the surface of the resin composition layer relative to the surface of the porous support:
(1) A cross section obtained by cutting perpendicularly to one surface of the diaphragm and ion milling the cut surface is examined using a scanning electron microscope, and the length in the width direction is 160 μm. Select five regions of
(2) The porous support in the region on the left side of the midpoint in the width direction on the one surface side of the diaphragm on the enlarged photograph of the one surface portion of the diaphragm taken using a scanning electron microscope for each region and the edge of the porous support in the region on the right side of the midpoint in the width direction, and a straight line having a length of 120 μm or more in the width direction between both ends is defined as a reference line A.
(3) On the enlarged photograph of (2), when a line parallel to the reference line A is scanned from the side opposite to the one surface side of the diaphragm to the one surface side of the diaphragm, the length of the parallel line A filling line B is defined as a boundary line at which a filling portion where the ratio of the total length of the space portion on the parallel line to the length of the parallel line is 10% or less.
(4) A distance X between the reference line A and the filling line B is calculated. The position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support is -X when the filling line B is in front of the reference line A in the scanning direction of the parallel lines, and +X when it exceeds the reference line A. and
(5) For each region, select any five regions in the same manner as in (1) in the enlarged photograph of the surface portion on the opposite side of the one surface of the diaphragm taken using a scanning electron microscope. , in each region, the reference line A' and the filling line B' are obtained in the same manner as in (2) to (4), the distance X' between the reference line A' and the filling line B' is calculated, and the porous support surface Determine the position +X' or -X' on the surface of the resin composition layer based on .
(6) the average value of the position +X or -X on the surface of the resin composition layer based on the surface of the porous support for each region, and the resin composition layer based on the surface of the porous support for each region The average value of the surface position +X' or -X' is defined as the average position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support on each surface.
The present invention will be described in detail below.
A combination of two or more of the individual preferred embodiments of the invention described below is also a preferred embodiment of the invention.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、上述の構成よりなり、アルカリ水電解用隔膜におけるイオン伝導性と、ガスの低付着性及びガスバリア性とが両立されるものである。 The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention has the structure described above, and the diaphragm for alkaline water electrolysis has both ion conductivity, low gas adhesion, and gas barrier properties.
<アルカリ水電解用隔膜>
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、多孔性支持体、並びに、該多孔性支持体に有機ポリマー及び無機粒子を含む樹脂組成物を含浸して得られる樹脂組成物層を有し、隔膜の一方の表面では、上記方法で測定される、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置が+20μm以上、+100μm以下であり、隔膜の他方の表面では、該平均位置が-10μm以上、+10μm以下である。
このように、一方の面では、多孔性支持体表面上に実質的に20μm以上、100μm以下の厚みの樹脂組成物層(当該厚みの樹脂組成物層は、基本的に多孔性支持体を含まないことから、単膜層とも言う。)が存在し、他方の面は樹脂組成物層が多孔性支持体の界面付近まで適度に充填されたものとすることにより、いずれの面においても概ね同等のガスの低付着性を発揮できるとともに、単膜層が一方の表面のみに設けられていることで、イオン伝導性とガスバリア性とをバランス良く両立することができる。
<Diaphragm for alkaline water electrolysis>
A diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention has a porous support and a resin composition layer obtained by impregnating the porous support with a resin composition containing an organic polymer and inorganic particles. On the surface of the membrane, the average position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support measured by the above method is +20 μm or more and +100 μm or less, and on the other surface of the diaphragm, the average position is −10 μm. It is more than +10 micrometers or less.
Thus, on one side, a resin composition layer substantially having a thickness of 20 μm or more and 100 μm or less (a resin composition layer having such a thickness basically includes the porous support) is formed on the surface of the porous support. It is also called a single layer because there is no layer), and on the other side, the resin composition layer is moderately filled to the vicinity of the interface of the porous support, so that both sides are roughly equivalent. In addition, since the single film layer is provided only on one surface, both ion conductivity and gas barrier properties can be achieved in a well-balanced manner.
上記(1)について、隔膜の一方の表面に対し、垂直に切断し、切断面をイオンミリング加工して得られた断面において、走査型電子顕微鏡を用いて任意の5つの領域を選択するとは、1つの断面から幅160μmの互いに異なる領域を5つ選択してもよく、2~5つの断面から幅160μmの領域を合計5つ選択しても良い。例えば、樹脂組成物の塗工による塗膜形成の際の塗工幅の中央における、樹脂組成物の流れ方向の断面の任意の3箇所の領域、流れ方向と直交する方向の断面の任意の2箇所の領域を選択することができる。なお、イオンミリング加工の条件は、観察用の断面を得るために適切となるように適宜設定すればよい。 Regarding (1) above, selecting arbitrary five regions using a scanning electron microscope in a cross section obtained by cutting perpendicularly to one surface of the diaphragm and ion milling the cut surface, Five different regions with a width of 160 μm may be selected from one section, or a total of five regions with a width of 160 μm may be selected from two to five sections. For example, at the center of the coating width when forming a coating film by coating the resin composition, any three regions of the cross section of the resin composition in the flow direction, any two of the cross sections in the direction perpendicular to the flow direction A region of locations can be selected. The conditions for the ion milling process may be appropriately set so as to be suitable for obtaining a cross section for observation.
上記(2)について、拡大写真は、幅方向の長さが160μmの領域であって、隔膜の一方の表面部分を拡大した写真であればよく、隔膜の厚み方向の両端が一視野で観察できるものでなくても構わない。幅方向の中点より左側の領域における多孔性支持体の任意の端部と、幅方向の中点より右側の領域における多孔性支持体の任意の端部とを結び、両端部間の幅方向の長さが120μm以上である直線を基準線Aとすることができるが、中でも、幅方向の中点より左側の領域における多孔性支持体の端部の内、隔膜の表面に最も近い点と、該中点より右側の領域における多孔性支持体の端部の内、隔膜の表面に最も近い点とを結ぶ直線を基準線Aとすることが好ましい。隔膜の表面に最も近い点とは、隔膜の表面が樹脂組成物から構成されている場合は、当該表面に最も近い多孔性支持体部分の端部の点であり、隔膜の表面が多孔性支持体部分から構成されている場合は、隔膜の表面を構成する多孔性支持体部分の端部が隔膜の表面に最も近い点(隔膜の表面との距離が0)となるため、隔膜の表面を構成する多孔性支持体部分の端部の任意の点とすることができる。 Regarding (2) above, the magnified photograph may be an enlarged photograph of one surface portion of the diaphragm having a width of 160 μm, and both ends of the diaphragm in the thickness direction can be observed in one field of view. It doesn't matter if it's not something. An arbitrary end of the porous support in the region on the left side of the midpoint in the width direction and an arbitrary end of the porous support in the region on the right side of the midpoint in the width direction are connected, and the width direction between both ends is A straight line having a length of 120 μm or more can be used as the reference line A. Among them, among the ends of the porous support in the region on the left side of the midpoint in the width direction, the point closest to the surface of the membrane It is preferable that the reference line A is a straight line connecting a point closest to the surface of the diaphragm among the ends of the porous support in the region on the right side of the midpoint. The point closest to the surface of the diaphragm means, when the surface of the diaphragm is composed of a resin composition, the point at the end of the porous support portion that is closest to the surface, and the surface of the diaphragm is the porous support. When it is composed of body parts, the end of the porous support part constituting the surface of the diaphragm is the closest point to the surface of the diaphragm (the distance from the surface of the diaphragm is 0), so the surface of the diaphragm It can be any point at the end of the constituent porous support portion.
上記(3)について、平行線上における空間部分とは、平行線走査中の一時点における平行線上の、多孔性支持体、樹脂組成物等の本発明のアルカリ水電解用隔膜を構成する材料が無い空間部分(空隙部分)を言う。該空間部分は、アルカリ水電解用隔膜の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて撮影した拡大写真の概念図である図1、2の黒色部である。なお、多孔性支持体、樹脂組成物等の本発明のアルカリ水電解用隔膜を構成する材料が有る部分は、図1、2の網掛け部や点描部である。平行線上における空間部分の長さは、実施例に記載の方法に従い、SEMを用いて本発明のアルカリ水電解用隔膜の断面を観察することで測定することができる。
また平行線上における空間部分の長さの合計とは、平行線上における空間部分が断続的に2箇所以上ある場合に、これら空間部分の長さを合計することを言う。なお、平行線の長さは、撮影画像で示される範囲内にわたる平行線全体の長さである。
上記の充填部は、拡大写真内で、1つだけ存在していても良いし、2つ以上存在していてもよい。充填部が2つ以上存在する場合、これに対応して充填部が終結する境界線も2つ以上存在することになるが、この場合、充填線Bは、充填部が終結する境界線のうち、基準線Aとの距離が最も近い線とする。
Regarding (3) above, the space portion on the parallel lines means that there is no material constituting the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, such as a porous support or a resin composition, on the parallel lines at a point in time during the parallel line scanning. It means a space part (void part). The space portion is the black portion in FIGS. 1 and 2, which are conceptual diagrams of enlarged photographs of the cross section of the diaphragm for alkaline water electrolysis taken using a scanning electron microscope (SEM). 1 and 2, the portions where the materials constituting the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, such as the porous support and the resin composition, are present. The length of the space portion on the parallel lines can be measured by observing the cross section of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention using SEM according to the method described in the Examples.
Further, the total length of the space portions on the parallel lines means summing up the lengths of the space portions when there are two or more intermittent space portions on the parallel lines. Note that the length of parallel lines is the total length of parallel lines within the range shown in the captured image.
Only one filling portion may be present in the enlarged photograph, or two or more filling portions may be present. If there are two or more filling sections, there will also be two or more boundary lines where the filling sections end. In this case, the filling line B is , the line closest to the reference line A.
上記(4)について、基準線Aと充填線Bとの距離Xは、互いに平行である2直線間の距離であり、本明細書中、X値とも言う。なお、基準線Aが多孔性支持体表面に相当し、充填線Bが樹脂組成物層表面の位置に相当する。本明細書中、樹脂組成物層表面の位置は、多孔性支持体表面を基準とする相対的な位置として規定し、平行線の走査方向において、充填線Bが基準線Aの手前であるときは-Xとし、基準線Aを超えるときは+Xとする。
基準線Aと充填線Bを決定し、X値を測定する際の拡大写真の倍率は、適宜選択することができるが、好ましくは300倍以上であり、より好ましくは500倍以上である。また、該倍率は、好ましくは1200倍以下であり、より好ましくは1000倍以下である。
Regarding (4) above, the distance X between the reference line A and the filling line B is the distance between two straight lines parallel to each other, and is also referred to as the X value in this specification. The reference line A corresponds to the surface of the porous support, and the filling line B corresponds to the position of the surface of the resin composition layer. In this specification, the position of the surface of the resin composition layer is defined as a relative position with respect to the surface of the porous support, and when the filling line B is in front of the reference line A in the scanning direction of the parallel lines is set to -X, and when exceeding the reference line A, it is set to +X.
The magnification of the magnified photograph when determining the reference line A and the filling line B and measuring the X value can be appropriately selected, but is preferably 300 times or more, more preferably 500 times or more. Also, the magnification is preferably 1200 times or less, more preferably 1000 times or less.
上記(5)では、上記(2)~(4)で測定した多孔性支持体・樹脂組成物層の表面とは反対側の表面について、上記(2)の基準線Aの求め方と同様に基準線A′を求め、上記(3)の充填線Bの求め方と同様に充填線B′を求め、基準線A′と充填線B′との距離X′を算出し、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X′又は-X′を決める。 In the above (5), the surface opposite to the surface of the porous support/resin composition layer measured in the above (2) to (4) is determined in the same manner as the reference line A in the above (2). A reference line A' is obtained, a filling line B' is obtained in the same manner as the method for obtaining the filling line B in (3) above, a distance X' between the reference line A' and the filling line B' is calculated, and the porous support is obtained. The position +X' or -X' of the resin composition layer surface relative to the surface is determined.
上記(6)について、各領域についての多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X又は-Xの平均値、各領域についての多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X′又は-X′の平均値が、それぞれ本発明に係る範囲内となることで、上述したように隔膜の一方の面では、多孔性支持体表面上に上記単膜層が存在し、他方の面は樹脂組成物層が多孔性支持体の界面付近まで適度に充填されたものとすることになり、本発明の効果を発揮できる。なお、上記位置+X又は-Xの平均値が+20μm以上、+100μm以下となる場合は、上記位置+X′又は-X′の平均値が-10μm以上、+10μm以下となればよく、上記位置+X又は-Xの平均値が-10μm以上、+10μm以下となる場合は、上記位置+X′又は-X′の平均値が+20μm以上、+100μm以下となればよい。 Regarding (6) above, the average value of the position +X or −X on the surface of the resin composition layer based on the surface of the porous support for each region, and the resin composition based on the surface of the porous support for each region When the average value of the position +X' or -X' on the layer surface is within the range according to the present invention, the single layer is formed on the surface of the porous support on one side of the diaphragm as described above. On the other side, the resin composition layer is appropriately filled up to the vicinity of the interface of the porous support, and the effect of the present invention can be exhibited. When the average value of the position +X or −X is +20 μm or more and +100 μm or less, the average value of the position +X′ or −X′ should be −10 μm or more and +10 μm or less, and the position +X or − When the average value of X is −10 μm or more and +10 μm or less, the average value of the position +X′ or −X′ should be +20 μm or more and +100 μm or less.
本発明のアルカリ水電解用隔膜において、隔膜の一方の表面(単膜層が有る面)では、上記方法で測定される、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置が+25μm以上であることが好ましく、+30μm以上であることがより好ましく、+35μm以上であることが更に好ましい。これにより、ガスバリア性をより優れたものとすることができる。また、該平均位置が、+80μm以下であることが好ましく、+70μm以下であることがより好ましく、+60μm以下であることが更に好ましい。これにより、イオン伝導性をより優れたものとすることができる。 In the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, on one surface of the diaphragm (surface having a single membrane layer ), the average position of the surface of the resin composition layer relative to the surface of the porous support measured by the above method is +25 μm or more is preferable, +30 μm or more is more preferable, and +35 μm or more is even more preferable. Thereby, gas barrier property can be made more excellent. Also, the average position is preferably +80 μm or less, more preferably +70 μm or less, and even more preferably +60 μm or less. Thereby, ionic conductivity can be made more excellent.
本発明のアルカリ水電解用隔膜において、隔膜の他方の表面(単膜層が無い面)では、上記方法で測定される、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置が-8μm以上であることが好ましく、-5μm以上であることがより好ましい。また、該平均位置が、+8μm以下であることが好ましく、+5μm以下であることがより好ましい。 In the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, on the other surface of the diaphragm (the surface without the single membrane layer ), the average position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support measured by the above method is It is preferably −8 μm or more, more preferably −5 μm or more. Also, the average position is preferably +8 μm or less, more preferably +5 μm or less.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、後に詳述するが、例えば、本発明に係る樹脂組成物から塗膜を形成する工程、多孔質支持体へ樹脂組成物を含浸させる工程、及び、樹脂組成物を含浸させた多孔性支持体を非溶媒に接触させることにより樹脂組成物を凝固させる工程を含む方法により得ることができる。通常、多孔性支持体に対して上記塗膜を形成した側の面に上記単膜層が形成される。ここで、上記単膜層が有る面における多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置は、塗工した樹脂組成物の量、粘度、非溶媒の温度等を調整することにより適宜調整することができる。また、上記単膜層が無い面における多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置は、塗工した樹脂組成物の量、粘度や、多孔性支持体の材料の親水性、多孔性支持体へ樹脂組成物を含浸させた後、非溶媒に接触させるまでの時間等を調整することにより適宜調整することができる。 The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, which will be described in detail later, includes, for example, a step of forming a coating film from the resin composition according to the present invention, a step of impregnating a porous support with the resin composition, and a step of impregnating the resin composition. It can be obtained by a method including a step of solidifying the resin composition by contacting the porous support impregnated with the substance with a non-solvent. Usually, the single film layer is formed on the surface of the porous support on which the coating film is formed. Here, the average position of the surface of the resin composition layer with respect to the surface of the porous support on the surface having the single layer can be adjusted by adjusting the amount of the resin composition applied, the viscosity, the temperature of the non-solvent, and the like. can be adjusted as appropriate. In addition, the average position of the surface of the resin composition layer relative to the surface of the porous support on the surface without the single layer is determined by the amount and viscosity of the coated resin composition, and the hydrophilicity of the material of the porous support. After impregnating the porous support with the resin composition, it can be appropriately adjusted by adjusting the time until it is brought into contact with the non-solvent.
以下では、本発明のアルカリ水電解用隔膜の構成材料について説明し、次いで、その作製方法を説明する。 The constituent materials of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention will be described below, and then the method for producing the same will be described.
[樹脂組成物]
(有機ポリマー)
本発明に係る樹脂組成物は、有機ポリマーを含む。有機ポリマーは、通常、樹脂組成物中で後述の無機粒子を保持する。
上記有機ポリマーとしては、本発明の効果を発揮できる限り特に限定されないが、アルカリ溶液中で実質的に膨潤しないものがより好ましい。
このような観点から、上記有機ポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂;ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂;ポリスルホン、ポリスチレン等の芳香族炭化水素系樹脂等が挙げられる。これらは1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。中でも、更に耐熱性、耐アルカリ性に優れたアルカリ水電解用隔膜とすることができる点で、芳香族炭化水素系樹脂が好ましい。
[Resin composition]
(organic polymer)
The resin composition according to the invention contains an organic polymer. The organic polymer usually retains the inorganic particles described later in the resin composition.
The organic polymer is not particularly limited as long as the effect of the present invention can be exhibited, but a polymer that does not substantially swell in an alkaline solution is more preferable.
From such a viewpoint, examples of the organic polymer include fluorine-based resins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene; olefin-based resins such as polypropylene; aromatic hydrocarbon-based resins such as polysulfone and polystyrene. . These may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. Among them, aromatic hydrocarbon-based resins are preferable in that they can be used as a diaphragm for alkaline water electrolysis with further excellent heat resistance and alkali resistance.
上記芳香族炭化水素系樹脂としては、より具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリブチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニルスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド等が挙げられる。中でも、より一層優れた耐アルカリ性を付与することができる点で、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、及び、ポリフェニルスルホンからなる群より選択される少なくとも1種が好ましく、製造上の観点で、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンがより好ましい。
ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、及びポリフェニルスルホンからなる群より選択される少なくとも1種を用いることで、得られるアルカリ水電解用隔膜のイオン伝導度が更に高くなり、また、耐アルカリ性が更に高くなることで、アルカリ溶液中で長時間使用した場合の寸法等の安定性により優れたものとなる。
More specifically, the aromatic hydrocarbon resins include, for example, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polybutylene naphthalate, polystyrene, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylsulfone, polyarylate, polyether Examples include imides, polyimides, polyamideimides, and the like. Among them, at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, and polyphenylsulfone is preferable in terms of being able to impart even better alkali resistance. Ethersulfone is more preferred.
By using at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, and polyphenylsulfone, the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis has higher ionic conductivity and higher alkali resistance. Therefore, the stability of dimensions and the like is excellent when used in an alkaline solution for a long period of time.
上記有機ポリマーの質量割合は、隔膜のイオン伝導性や耐久性を好適に調節する観点から、本発明のアルカリ水電解用隔膜100質量%中、1質量%以上であることが好ましく、2質量%以上であることがより好ましく、3質量%以上であることが更に好ましく、5質量%以上であることが一層好ましく、7質量%以上であることが特に好ましい。また、該質量割合は、35質量%以下であることが好ましく、30質量%以下であることがより好ましく、25質量%以下であることが更に好ましく、20質量%以下であることが一層好ましく、15質量%以下であることが特に好ましい。 From the viewpoint of suitably adjusting the ionic conductivity and durability of the diaphragm, the mass ratio of the organic polymer is preferably 1% by mass or more, preferably 2% by mass, based on 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention. It is more preferably 3% by mass or more, still more preferably 5% by mass or more, and particularly preferably 7% by mass or more. In addition, the mass ratio is preferably 35% by mass or less, more preferably 30% by mass or less, even more preferably 25% by mass or less, and even more preferably 20% by mass or less, 15% by mass or less is particularly preferable.
(無機粒子)
本発明に係る樹脂組成物は、無機粒子を含む。本発明のアルカリ水電解用隔膜は、無機粒子を含むことにより、無機粒子と有機ポリマーとの空隙部分に電解液が満たされて高いイオン伝導性を発揮することができる。また、本発明のアルカリ水電解用隔膜は、無機粒子を含むことにより親水化し、水の電気分解において発生する酸素ガスや水素ガスが隔膜に付着することによるイオン伝導度の低下を抑制することができる。
(Inorganic particles)
The resin composition according to the present invention contains inorganic particles. By containing inorganic particles, the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can exhibit high ionic conductivity by filling the gaps between the inorganic particles and the organic polymer with the electrolytic solution. In addition, the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is made hydrophilic by containing inorganic particles, and it is possible to suppress a decrease in ionic conductivity due to adhesion of oxygen gas and hydrogen gas generated in the electrolysis of water to the diaphragm. can.
上記無機粒子としては、特に限定されないが、例えば、マグネシウム、ジルコニウム、チタン、亜鉛、アルミニウム、タンタル等の水酸化物又は酸化物、カルシウム、バリウム、鉛、ストロンチウム等の硫酸塩等が挙げられる。中でも、無機粒子の分散性やアルカリ溶液中での安定性がより一層優れる点で、水酸化マグネシウム、水酸化ジルコニウム、水酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化チタン、硫酸カルシウム、硫酸バリウムが好ましく、水酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、硫酸バリウムがより好ましい。
上記無機粒子は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。
上記無機粒子としては、天然物であっても合成物であってもよい。また、表面が未処理のものであってもよく、シランカップリング剤、ステアリン酸、オレイン酸、リン酸エステル等により表面処理したものであってもよい。
Examples of the inorganic particles include, but are not limited to, hydroxides or oxides of magnesium, zirconium, titanium, zinc, aluminum, tantalum, and sulfates of calcium, barium, lead, strontium, and the like. Among them, magnesium hydroxide, zirconium hydroxide, titanium hydroxide, zirconium oxide, titanium oxide, calcium sulfate, and barium sulfate are preferable in terms of dispersibility of inorganic particles and stability in an alkaline solution. Magnesium, zirconium oxide, titanium oxide and barium sulfate are more preferred.
The inorganic particles may be used singly or in combination of two or more.
The inorganic particles may be either natural or synthetic. Moreover, the surface may be untreated, or the surface may be treated with a silane coupling agent, stearic acid, oleic acid, phosphate ester, or the like.
上記無機粒子の形状は、粒子状であれば特に限定されず、真球状、長楕円球状等の球状;薄片状、六角板状等の板状;繊維状;ある特定の単純な形状に分類できない、複雑な形状を持つ不定形状等のいずれの形状であってもよいが、溶媒に分散しやすく、樹脂組成物を調製しやすい点で、球状、板状、繊維状であることが好ましく、アルカリ水電解隔膜のイオン伝導性や無機粒子の保持性の点で、板状であることがより好ましい。 The shape of the inorganic particles is not particularly limited as long as it is particulate, and can be classified into a spherical shape such as a perfect sphere and an oblong sphere; a plate shape such as a flaky shape and a hexagonal plate shape; a fibrous shape; , It may be in any shape such as an irregular shape having a complicated shape, but it is preferably spherical, plate-like, or fibrous because it is easy to disperse in a solvent and easy to prepare a resin composition. A plate-like shape is more preferable from the viewpoint of the ionic conductivity of the water electrolysis membrane and the retention of inorganic particles.
上記無機粒子は、アスペクト比が1.0以上、8.0以下であることが好ましい。該アスペクト比は、より好ましくは1.5以上であり、更に好ましくは2.0以上である。また、該アスペクト比は、より好ましくは7.0以下であり、更に好ましくは6.0以下である。アスペクト比が上述の範囲であると、イオン伝導性がより一層優れ、均一性に優れたアルカリ水電解用隔膜とすることができる。
本明細書中、アスペクト比とは、最長径aと最短径bとの比(a/b)を意味し、無機粒子をSEMで観察し、得られた画像の任意の10粒子において、解析ソフト等を使用して、各粒子の最長径aと最短径bとの比(a/b)を測定し、それらの比の単純平均値をその粒子のアスペクト比として求めることができる。
上記最長径aとしては、例えば、粒子の形状が板状の場合、粒子の板面の長径を採用し、繊維状である場合は、繊維の長さを採用する。また、最長径aの中点を通って最長径と直行する径のうちの最も短い径を最短径bとする。上記最短径bとしては、例えば、粒子の形状が板状の場合は、粒子の厚みを採用し、繊維状である場合は、繊維の太さを採用する。粒子の厚み及び繊維の太さとしては、最長径aの中点における厚み、太さをそれぞれ採用する。
The inorganic particles preferably have an aspect ratio of 1.0 or more and 8.0 or less. The aspect ratio is more preferably 1.5 or more, still more preferably 2.0 or more. Also, the aspect ratio is more preferably 7.0 or less, still more preferably 6.0 or less. When the aspect ratio is within the above range, the diaphragm for alkaline water electrolysis has even more excellent ionic conductivity and excellent uniformity.
In this specification, the aspect ratio means the ratio (a/b) between the longest diameter a and the shortest diameter b, and the inorganic particles are observed with SEM, and in any 10 particles of the obtained image, analysis software etc., the ratio (a/b) between the longest diameter a and the shortest diameter b of each particle can be measured, and the simple average value of these ratios can be obtained as the aspect ratio of the particle.
As the longest diameter a, for example, when the shape of the particle is plate-like, the length of the plate surface of the particle is used, and when the particle is fibrous, the length of the fiber is used. The shortest diameter among the diameters passing through the midpoint of the longest diameter a and perpendicular to the longest diameter is defined as the shortest diameter b. As the shortest diameter b, for example, when the shape of the particles is plate-like, the thickness of the particles is used, and when the shape is fibrous, the thickness of the fibers is used. As the thickness of the particles and the thickness of the fibers, the thickness and thickness at the midpoint of the longest diameter a are employed, respectively.
上記無機粒子の平均粒子径は、無機粒子の分散性がより一層優れる点で、0.01μm以上、2.0μm以下であることが好ましい。該平均粒子径は、より好ましくは0.05μm以上であり、更に好ましくは0.08μm以上である。また、該平均粒子径は、より好ましくは1.0μm以下であり、更に好ましくは0.7μm以下である。
本明細書中、平均粒子径は、無機粒子と0.2質量%のヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用いて分散処理を行った無機粒子分散液を用いて、レーザー回折・散乱法による粒度分布測定から求められる体積平均粒子径(d50)である。上記無機粒子の平均粒子径が上述の範囲であると、イオン伝導性、ガスバリア性により優れたアルカリ水電解用隔膜とすることができる。
The average particle size of the inorganic particles is preferably 0.01 μm or more and 2.0 μm or less in order to further improve the dispersibility of the inorganic particles. The average particle size is more preferably 0.05 μm or more, and still more preferably 0.08 μm or more. Also, the average particle size is more preferably 1.0 μm or less, and still more preferably 0.7 μm or less.
In the present specification, the average particle size is obtained from particle size distribution measurement by a laser diffraction/scattering method using an inorganic particle dispersion liquid that has been subjected to dispersion treatment using inorganic particles and a 0.2% by mass sodium hexametaphosphate aqueous solution. is the volume average particle size (d50). When the average particle size of the inorganic particles is within the above range, the diaphragm for alkaline water electrolysis can be made more excellent in ion conductivity and gas barrier properties.
上記無機粒子の比表面積は、アルカリ水電解用隔膜のイオン伝導性がより一層優れる点で、5m2/g以上、35m2/g以下であることが好ましい。該比表面積は、より好ましくは5.5m2/g以上であり、更に好ましくは6m2/g以上である。また、該比表面積は、より好ましくは25m2/g以下であり、更に好ましくは20m2/g以下である。
本明細書中、比表面積は、粉体状の無機粒子について液体窒素を用いたBET法により測定される。アルカリ水電解用隔膜におけるイオンパスは、主に無機粒子の親水性の高い表面により形成されるため、上記無機粒子の比表面積が上述の範囲であると、イオン伝導性により一層優れたアルカリ水電解用隔膜とすることができる。
The specific surface area of the inorganic particles is preferably 5 m 2 /g or more and 35 m 2 /g or less in order to further improve the ion conductivity of the diaphragm for alkaline water electrolysis. The specific surface area is more preferably 5.5 m 2 /g or more, still more preferably 6 m 2 /g or more. Also, the specific surface area is more preferably 25 m 2 /g or less, still more preferably 20 m 2 /g or less.
In this specification, the specific surface area is measured by the BET method using liquid nitrogen for powdery inorganic particles. Since the ion path in the diaphragm for alkaline water electrolysis is formed mainly by the highly hydrophilic surfaces of the inorganic particles, when the specific surface area of the inorganic particles is within the above range, the ion conductivity for alkaline water electrolysis is even more excellent. It can be a diaphragm.
なお、平均粒子径や比表面積が上記のような範囲の粒子は、例えば、粒子をボールミル等により粉砕し、得られた粗粒子を分散剤に分散させて所望の粒子径にした後に乾固する方法や、該粗粒子をふるい等にかけて粒子径を選別する方法のほか、粒子を製造する段階で調製条件を最適化し、所望の粒径の(ナノ)粒子を得る方法等により製造することが可能である。 Particles having an average particle size and specific surface area in the above ranges are, for example, pulverized using a ball mill or the like, and the resulting coarse particles are dispersed in a dispersant to obtain a desired particle size, and then dried and solidified. In addition to the method of screening the coarse particles by sieving, etc., the preparation conditions are optimized at the stage of producing particles, and (nano)particles with the desired particle size can be obtained. is.
上記無機粒子の質量割合は、隔膜の耐久性及びイオン伝導度の改善の観点から、本発明のアルカリ水電解用隔膜100質量%中、30質量%以上であることが好ましい。該質量割合は、より好ましくは32質量%以上であり、更に好ましくは35質量%以上である。また、該質量割合は、95質量%以下であることが好ましい。該質量割合は、より好ましくは90質量%以下であり、更に好ましくは80質量%以下であり、特に好ましくは65質量%以下である。 The mass ratio of the inorganic particles is preferably 30% by mass or more in 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, from the viewpoint of improving the durability and ionic conductivity of the diaphragm. The mass ratio is more preferably 32% by mass or more, and still more preferably 35% by mass or more. Moreover, the mass ratio is preferably 95% by mass or less. The mass ratio is more preferably 90% by mass or less, still more preferably 80% by mass or less, and particularly preferably 65% by mass or less.
[多孔性支持体]
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、更に、多孔性支持体を有する。上記多孔性支持体は、多孔質であり、イオン透過性を有し、アルカリ水電解用隔膜の支持体となり得る部材である。上記多孔性支持体は、シート状の部材であることが好ましい。
[Porous support]
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention further has a porous support. The porous support is a member that is porous, has ion permeability, and can serve as a support for a diaphragm for alkaline water electrolysis. The porous support is preferably a sheet-like member.
上記多孔性支持体の材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド等のポリアリーレンサルファイド樹脂、ポリケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素系樹脂等の樹脂が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。中でも、優れた耐熱性及び耐アルカリ性を発揮できる点で、ポリプロピレン、ポリエチレン、及び、ポリフェニレンサルファイドからなる群より選択される少なくとも1種の樹脂を含むことが好ましく、ポリプロピレン及びポリフェニレンサルファイドからなる群より選択される少なくとも1種の樹脂を含むことがより好ましい。 Examples of materials for the porous support include polyarylene sulfide resins such as polyethylene, polypropylene, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, and polyphenylene sulfide, and resins such as polyketone, polyimide, polyetherimide, and fluorine-based resins. mentioned. These may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. Among them, it preferably contains at least one resin selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polyphenylene sulfide in that it can exhibit excellent heat resistance and alkali resistance, and is selected from the group consisting of polypropylene and polyphenylene sulfide. It is more preferred to include at least one resin that
上記多孔性支持体の形態としては、例えば、不織布、織布(織物)、編物、メッシュ、多孔質膜、フェルト、又は、不織布と織布の混合布等が挙げられるが、好ましくは、不繊布、織布、メッシュ、又は、フェルトが挙げられ、より好ましくは、不織布又はメッシュが挙げられる。 Examples of the form of the porous support include nonwoven fabric, woven fabric (fabric), knitted fabric, mesh, porous membrane, felt, and mixed fabric of nonwoven fabric and woven fabric. Nonwoven fabric is preferred. , woven fabric, mesh or felt, more preferably non-woven fabric or mesh.
本発明において使用する多孔性支持体としては、中でも、ポリプロピレン、ポリエチレン、及び、ポリフェニレンサルファイドからなる群より選択される少なくとも1種の樹脂を含むものが好ましく、中でも、ポリプロピレン、ポリエチレン、及び、ポリフェニレンサルファイドからなる群より選択される少なくとも1種の樹脂を含む不繊布、織布、メッシュ、又は、フェルトがより好ましく、ポリフェニレンサルファイドを含む、不織布、メッシュ、又はフェルトが更に好ましい。上記多孔性支持体中のポリプロピレン、ポリエチレン、及び、ポリフェニレンサルファイドの含有量は、合計で50質量%以上が好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上が更に好ましい。なお、該含有量の上限値は特に限定されず、100質量%であってもよい。 The porous support used in the present invention preferably contains at least one resin selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polyphenylene sulfide. Among these, polypropylene, polyethylene, and polyphenylene sulfide. Non-woven fabric, woven fabric, mesh or felt containing at least one resin selected from the group consisting of is more preferred, and non-woven fabric, mesh or felt containing polyphenylene sulfide is even more preferred. The total content of polypropylene, polyethylene, and polyphenylene sulfide in the porous support is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more. In addition, the upper limit of the content is not particularly limited, and may be 100% by mass.
上記多孔性支持体がシート状である場合、多孔性支持体の厚みは、本発明のアルカリ水電解用隔膜が本発明の効果を発揮できる限り特に限定されないが、例えば、30μm以上、300μm以下が好ましい。該厚みは、より好ましくは50μm以上であり、更に好ましくは80μm以上であり、特に好ましくは100μm以上である。また、該厚みは、より好ましくは280μm以下であり、更に好ましくは260μm以下であり、特に好ましくは250μm以下である。
上記多孔性支持体の厚みは、実施例の方法を用いて測定されるものである。
When the porous support is in the form of a sheet, the thickness of the porous support is not particularly limited as long as the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can exhibit the effects of the present invention. preferable. The thickness is more preferably 50 µm or more, still more preferably 80 µm or more, and particularly preferably 100 µm or more. Moreover, the thickness is more preferably 280 μm or less, still more preferably 260 μm or less, and particularly preferably 250 μm or less.
The thickness of the porous support is measured using the method of Examples.
上記多孔性支持体の質量割合は、本発明のアルカリ水電解用隔膜100質量%中、20質量%以上であることが好ましく、25質量%以上であることがより好ましく、30質量%以上であることが更に好ましく、35質量%以上であることが特に好ましい。また、該質量割合は、75質量%以下であることが好ましく、70質量%以下であることがより好ましく、65質量%以下であることが更に好ましい。 The mass ratio of the porous support is preferably 20% by mass or more, more preferably 25% by mass or more, and 30% by mass or more in 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention. is more preferable, and 35% by mass or more is particularly preferable. The mass ratio is preferably 75% by mass or less, more preferably 70% by mass or less, and even more preferably 65% by mass or less.
(その他の成分)
本発明のアルカリ水電解用隔膜は更に、添加剤成分として、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、ポリアクリル酸、デキストラン等の水溶性ポリマー;界面活性剤;グリセリン;糖類等の有機化合物、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化リチウム等の無機化合物等のその他の成分を含んでいてもよい。
本発明のアルカリ水電解用隔膜におけるその他の成分の含有割合は、隔膜の耐久性の観点から隔膜100質量%中、5質量%以下であることが好ましい。より好ましくは2質量%以下であり、更に好ましくは1質量%以下であり、特に好ましくは0.1質量%以下である。
(other ingredients)
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention further contains, as additive components, water-soluble polymers such as polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyacrylic acid and dextran; surfactants; glycerin; organic compounds such as saccharides. , calcium chloride, magnesium chloride, lithium chloride, and other inorganic compounds.
From the viewpoint of durability of the diaphragm, the content of other components in the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is preferably 5% by mass or less in 100% by mass of the diaphragm. It is more preferably 2% by mass or less, still more preferably 1% by mass or less, and particularly preferably 0.1% by mass or less.
本発明のアルカリ水電解用隔膜の厚みは、特に限定されず、使用する設備の大きさや取り扱い性等に応じて適宜選択すればよいが、膜のガスバリア性やイオン透過性、強度の観点から、50μm以上、1mm以下であることが好ましい。該厚みは、75μm以上であることがより好ましく、100μm以上であることが更に好ましく、150μm以上であることが特に好ましい。また、該厚みは、800μm以下であることがより好ましく、600μm以下であることが更に好ましく、400μm以下であることが特に好ましい。
上記アルカリ水電解用隔膜の厚みは、実施例の方法を用いて測定されるものである。
The thickness of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is not particularly limited, and may be appropriately selected according to the size of the equipment to be used, handleability, and the like. It is preferably 50 μm or more and 1 mm or less. The thickness is more preferably 75 μm or more, still more preferably 100 μm or more, and particularly preferably 150 μm or more. Further, the thickness is more preferably 800 μm or less, still more preferably 600 μm or less, and particularly preferably 400 μm or less.
The thickness of the diaphragm for alkaline water electrolysis is measured using the method of the examples.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、空隙率が25%以上、80%以下であることが好ましい。該空隙率は、イオン伝導性をより優れたものとする観点からは、30%以上であることがより好ましく、35%以上であることが更に好ましく、38%以上であることが特に好ましい。また、該空隙率は、ガスバリア性をより優れたものとする観点からは、75%以下であることがより好ましく、70%以下であることが更に好ましく、65%以下であることが特に好ましい。
上記空隙率は、実施例に記載の方法に従い、測定することができる。
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention preferably has a porosity of 25% or more and 80% or less. The porosity is more preferably 30% or more, still more preferably 35% or more, and particularly preferably 38% or more, from the viewpoint of improving the ionic conductivity. Moreover, the porosity is more preferably 75% or less, still more preferably 70% or less, and particularly preferably 65% or less, from the viewpoint of improving gas barrier properties.
The porosity can be measured according to the method described in Examples.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、一方の面と他方の面のそれぞれで、水中での空気の接触角が140°以上であることが好ましい。該水中での空気の接触角は、143°以上であることがより好ましく、145°以上であることが更に好ましく、148°以上であることが特に好ましい。上記水中での空気の接触角の上限値は特に限定されないが、通常は175°以下である。水中での空気の接触角が上述の範囲であると、酸素ガスや水素ガスの気泡による隔膜表面への付着を極めて抑制した隔膜とすることができる。
また本発明のアルカリ水電解用隔膜は、一方の面と他方の面で、水中での空気の接触角の差が10°以下であることが好ましく、4°以下であることがより好ましい。
上記水中での空気の接触角は、実施例に記載の方法に従い、測定することができる。
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention preferably has an air contact angle in water of 140° or more on each of one surface and the other surface. The contact angle of air in water is more preferably 143° or more, still more preferably 145° or more, and particularly preferably 148° or more. Although the upper limit of the contact angle of air in water is not particularly limited, it is usually 175° or less. When the contact angle of air in water is within the above range, a diaphragm can be obtained in which adhesion of bubbles of oxygen gas or hydrogen gas to the surface of the diaphragm is extremely suppressed.
In the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, the difference in contact angle of air in water between one surface and the other surface is preferably 10° or less, more preferably 4° or less.
The contact angle of air in water can be measured according to the method described in Examples.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、イオン伝導度が100mS/cm以上、300mS/cm以下であることが好ましい。該イオン伝導度は、110mS/cm以上であることがより好ましく、120mS/cm以上であることが更に好ましい。また、該イオン伝導度は、270mS/cm以下であることがより好ましく、250mS/cm以下であることが更に好ましい。イオン伝導度が上述の範囲であると、水電解における電解効率が高く、ガスのクロスリークを低く抑えることができる。
上記イオン伝導度は、実施例に記載の方法に従い、測定することができる。
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention preferably has an ionic conductivity of 100 mS/cm or more and 300 mS/cm or less. The ionic conductivity is more preferably 110 mS/cm or more, even more preferably 120 mS/cm or more. Further, the ionic conductivity is more preferably 270 mS/cm or less, even more preferably 250 mS/cm or less. When the ionic conductivity is within the above range, the electrolysis efficiency in water electrolysis is high, and gas cross-leakage can be suppressed to a low level.
The ionic conductivity can be measured according to the method described in Examples.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、ガスバリア性を高くできる観点から、バブルポイント値が300kPa以上であることが好ましい。該バブルポイント値は、400kPa以上であることがより好ましく、500kPa以上であることが更に好ましい。また、該バブルポイント値は、その上限値は特に限定されないが、通常は3000kPa以下である。
上記バブルポイント値は、実施例に記載の方法に従い、測定することができる。
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention preferably has a bubble point value of 300 kPa or more from the viewpoint of enhancing gas barrier properties. The bubble point value is more preferably 400 kPa or more, even more preferably 500 kPa or more. The upper limit of the bubble point value is not particularly limited, but it is usually 3000 kPa or less.
The bubble point value can be measured according to the method described in Examples.
なお、本発明のアルカリ水電解用隔膜は、水系電解液を含んで構成されるアルカリ水電解装置に用いられる隔膜として使用するためのものである。 The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is intended for use as a diaphragm for use in an alkaline water electrolysis apparatus containing an aqueous electrolytic solution.
(本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法)
本発明のアルカリ水電解用隔膜を製造する方法としては、特に限定されず、公知の方法を適用することができるが、アルカリ溶液中での無機成分の溶出が抑制され、更にイオン伝導性、ガスバリア性に優れたアルカリ水電解用隔膜を効率良く製造できる点で、非溶媒誘起相分離法、蒸気誘起相分離法が好ましい。
上記アルカリ水電解隔膜を製造する方法としては、具体的には下記の工程(1)~(3)を含むことが好ましい。
(1)無機粒子及び溶媒を含む分散液を調製する工程、
(2)上記分散液と上記有機ポリマーを混合して樹脂混合液を調製する工程、及び、
(3)上記樹脂混合液を用いて膜を形成する工程
以下に、各工程について説明する。
(Manufacturing method of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention)
The method for producing the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is not particularly limited, and known methods can be applied. A non-solvent induced phase separation method and a vapor induced phase separation method are preferred in that they can efficiently produce a diaphragm for alkaline water electrolysis with excellent properties.
Specifically, the method for producing the alkaline water electrolysis membrane preferably includes the following steps (1) to (3).
(1) preparing a dispersion containing inorganic particles and a solvent;
(2) mixing the dispersion and the organic polymer to prepare a resin mixture;
(3) Steps of forming a film using the resin mixed solution Each step will be explained below.
(1)無機粒子及び溶媒を含む分散液を調製する工程
上記製造方法では、無機粒子を上記有機ポリマーと混合する場合、無機粒子を固形のまま混合してもよく、無機粒子を溶媒に分散させた分散液(スラリー)を調製してから混合してもよいが、無機粒子を溶媒に分散させた分散液を調製してから混合することが好ましい。無機粒子の分散液を調製してから上記有機ポリマーと混合することで、無機粒子と上記有機ポリマーとをより均一に混合することができ、これにより、無機粒子が上記有機ポリマーによって形成された隔壁内に均一に分布、固定化され、無機成分の溶出がより充分に抑制されたアルカリ水電解用隔膜を得ることができる。上記分散液には、分散剤を添加しても良い。
上記分散液中の無機粒子の含有量は、20質量%以上、70質量%以下であることが好ましい。該無機粒子の含有量は、より好ましくは30質量%以上であり、更に好ましくは45質量%以上である。また、該無機粒子の含有量は、より好ましくは65質量%以下である。このようにすることにより、最終的に得られる膜の中の微細孔の径を制御でき、イオン伝導性とガスバリア性が両立されたアルカリ水電解用隔膜とすることができる。
(1) Step of preparing a dispersion containing inorganic particles and a solvent In the above production method, when the inorganic particles are mixed with the organic polymer, the inorganic particles may be mixed in solid form, or the inorganic particles may be dispersed in the solvent. Although a dispersion (slurry) may be prepared and then mixed, it is preferable to prepare a dispersion in which inorganic particles are dispersed in a solvent and then mix. By mixing the inorganic particles with the organic polymer after preparing the dispersion of the inorganic particles, the inorganic particles and the organic polymer can be mixed more uniformly, thereby forming partition walls in which the inorganic particles are formed by the organic polymer. It is possible to obtain a diaphragm for alkaline water electrolysis in which the inorganic components are uniformly distributed and immobilized inside and the elution of inorganic components is more sufficiently suppressed. A dispersant may be added to the dispersion liquid.
The content of the inorganic particles in the dispersion liquid is preferably 20% by mass or more and 70% by mass or less. The content of the inorganic particles is more preferably 30% by mass or more, still more preferably 45% by mass or more. Moreover, the content of the inorganic particles is more preferably 65% by mass or less. By doing so, the diameter of the micropores in the finally obtained membrane can be controlled, and a diaphragm for alkaline water electrolysis having both ion conductivity and gas barrier properties can be obtained.
無機粒子を分散させるための溶媒としては、後に混合する上記有機ポリマーを溶解し得る性質を有するものであれば特に限定されず、例えば、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、トルエン等が挙げられる。これらの溶媒は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。中でも、無機粒子の分散性が良好となる点で、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルホルムアミドが好ましい。分散液中の無機粒子に対する溶媒の使用量は、無機粒子100質量部に対して、50質量部以上100質量部未満が好ましく、50質量部以上90質量部以下がより好ましく、50質量部以上80質量部未満が更に好ましい。このようにすることにより、最終的に得られる膜の微細孔の径を制御でき、イオン伝導性とガスバリア性が両立されたアルカリ水電解用隔膜とすることができる。 The solvent for dispersing the inorganic particles is not particularly limited as long as it has the property of dissolving the above organic polymer to be mixed later. Examples include N-methyl-2-pyrrolidone, N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, methyl ethyl ketone, toluene and the like. These solvents may be used singly or in combination of two or more. Among them, N-methyl-2-pyrrolidone and N,N-dimethylformamide are preferable from the viewpoint of good dispersibility of the inorganic particles. The amount of the solvent used for the inorganic particles in the dispersion is preferably 50 parts by mass or more and less than 100 parts by mass, more preferably 50 parts by mass or more and 90 parts by mass or less, and 50 parts by mass or more and 80 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the inorganic particles. More preferably less than parts by mass. By doing so, the diameter of the micropores of the finally obtained membrane can be controlled, and a diaphragm for alkaline water electrolysis having both ion conductivity and gas barrier properties can be obtained.
分散剤としては、ポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、ポリエチレンイミン、ポリアクリル酸、デキストラン等の水溶性ポリマー;エチレングリコール:カチオン系界面活性剤;アニオン系面活性剤;カルボキシ基、リン酸基、スルホン酸基等の官能基を有する従来公知の顔料分散剤等が挙げられる。分散液中の溶媒に対する分散剤の使用量は、溶媒100質量部に対して、1質量部超10質量部以下が好ましく、1.2質量部以上8質量部以下がより好ましく、1.5質量部以上5質量部未満が更に好ましい。このようにすることにより、無機粒子の分散液中での粒子径や隔膜形成工程での無機粒子の分散安定性を制御し、向上できるようになり、最終的に得られる膜の微細孔の径を制御でき、イオン伝導性とガスバリア性が両立されたアルカリ水電解用隔膜とすることができる。 Dispersants include water-soluble polymers such as polyvinylpyrrolidone, polyethylene glycol, polyethyleneimine, polyacrylic acid, dextran; ethylene glycol: cationic surfactant; anionic surfactant; carboxy group, phosphoric acid group, sulfonic acid group conventionally known pigment dispersants having functional groups such as The amount of the dispersant used in the solvent in the dispersion is preferably more than 1 part by mass and 10 parts by mass or less, more preferably 1.2 parts by mass or more and 8 parts by mass or less, with respect to 100 parts by mass of the solvent, and 1.5 parts by mass. Part or more and less than 5 parts by mass is more preferable. By doing so, it becomes possible to control and improve the particle size of the inorganic particles in the dispersion liquid and the dispersion stability of the inorganic particles in the diaphragm forming step, and the fine pore size of the finally obtained membrane can be improved. can be controlled, and a diaphragm for alkaline water electrolysis having both ion conductivity and gas barrier properties can be obtained.
無機粒子を溶媒に分散させる方法としては、特に限定されず、ミキサー、ボールミル、ジェットミル、ディスパー、サンドミル、ロールミル、ポットミル、ビーズミル、ペイントシェーカー等を用いる方法等、公知の混合分散の手段を適用することができる。 The method for dispersing the inorganic particles in the solvent is not particularly limited, and known mixing and dispersing means such as a method using a mixer, ball mill, jet mill, disper, sand mill, roll mill, pot mill, bead mill, paint shaker, etc. are applied. be able to.
上記分散液中における無機粒子の平均粒子径は、より好ましくは0.1μm以上1.0μm以下、更に好ましくは0.15μm以上0.8μm以下、特に好ましくは0.15μm以上0.5μm以下である。なお、上記分散液中における無機粒子の平均粒子径は、動的光散乱法による粒度分布測定から求められ、具体的には実施例に記載の方法で測定できる。 The average particle size of the inorganic particles in the dispersion is more preferably 0.1 μm or more and 1.0 μm or less, still more preferably 0.15 μm or more and 0.8 μm or less, and particularly preferably 0.15 μm or more and 0.5 μm or less. . The average particle size of the inorganic particles in the dispersion can be determined by particle size distribution measurement using a dynamic light scattering method, and can be specifically measured by the method described in Examples.
(2)上記分散液と上記有機ポリマーとを混合して樹脂混合液を調製する工程
工程(1)で調製された分散液に上記有機ポリマーを混合する方法としては、分散液と有機ポリマーを充分に混合することができる方法であれば特に限定されず、分散液に有機ポリマーをそのまま混合してもよいし、予め有機ポリマーを溶媒に溶解させた樹脂溶液を調製して、樹脂溶液と分散液とを混合してもよい。中でも、無機粒子と有機ポリマーをより均一に分散・混合できる点で、樹脂溶液を調製して、樹脂溶液と分散液とを混合する方法が好ましい。
上記樹脂溶液を調製する場合に使用する溶媒としては、上記有機ポリマーを溶解する性質を有するものであれば特に限定されず、例えば、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、トルエン等が挙げられる。中でも、上記無機粒子と上記有機ポリマーがより均一に分散・混合できる点で、上記分散液の調製に使用した溶媒と同じ溶媒が好ましい。
(2) Step of mixing the dispersion and the organic polymer to prepare a resin mixture As a method of mixing the organic polymer with the dispersion prepared in step (1), the dispersion and the organic polymer are mixed sufficiently. It is not particularly limited as long as it can be mixed into the dispersion liquid, and the organic polymer may be mixed as it is in the dispersion liquid, or a resin solution in which the organic polymer is dissolved in a solvent is prepared in advance, and the resin solution and the dispersion liquid are prepared. may be mixed with. Among them, the method of preparing a resin solution and mixing the resin solution and the dispersion liquid is preferable because the inorganic particles and the organic polymer can be dispersed and mixed more uniformly.
The solvent used for preparing the resin solution is not particularly limited as long as it has the property of dissolving the organic polymer. Examples include N-methyl-2-pyrrolidone, N,N-dimethylacetamide, N , N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, methyl ethyl ketone, toluene and the like. Among them, the same solvent as the solvent used for preparing the dispersion liquid is preferable in that the inorganic particles and the organic polymer can be more uniformly dispersed and mixed.
上記樹脂溶液中の上記有機ポリマーの含有量は、5質量%以上50質量%以下であることが好ましく、10質量%以上45質量%以下であることがより好ましく、15質量%以上40質量%以下であることが更に好ましい。
上記混合する方法としては、工程(1)で記載した混合分散の手段と同様の手段が挙げられる。
The content of the organic polymer in the resin solution is preferably 5% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 10% by mass or more and 45% by mass or less, and 15% by mass or more and 40% by mass or less. is more preferable.
Examples of the mixing method include the same means as the mixing and dispersing means described in step (1).
上記分散液と上記有機ポリマーは、好ましくは、無機粒子100質量部に対して、上記有機ポリマーが10質量部以上40質量部以下になるように混合することが好ましい。該有機ポリマーの混合量は、より好ましくは12質量部以上であり、更に好ましくは15質量部以上である。また、該有機ポリマーの混合量は、より好ましくは35質量部以下、更に好ましくは33質量部以下である。無機粒子と上記有機ポリマーの含有割合が上述した範囲であると、得られたアルカリ水電解用隔膜のアルカリ溶液中での無機成分の溶出が更に一層抑制される。また、イオン伝導性、ガスバリア性、耐熱性及び耐アルカリ性にもより優れたアルカリ水電解用隔膜を製造できる。 The dispersion liquid and the organic polymer are preferably mixed so that the amount of the organic polymer is 10 parts by mass or more and 40 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the inorganic particles. The amount of the organic polymer to be mixed is more preferably 12 parts by mass or more, and still more preferably 15 parts by mass or more. Further, the amount of the organic polymer mixed is more preferably 35 parts by mass or less, and still more preferably 33 parts by mass or less. When the content ratio of the inorganic particles and the organic polymer is within the range described above, the elution of the inorganic component in the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis in the alkaline solution is further suppressed. In addition, it is possible to produce a diaphragm for alkaline water electrolysis that is more excellent in ion conductivity, gas barrier properties, heat resistance and alkali resistance.
上記無機粒子の分散液と上記有機ポリマーの溶液とを混合する場合、無機粒子の分散液中の溶媒と上記有機ポリマーの溶液中の溶媒との合計含有量は、無機粒子の分散液と上記有機ポリマーの溶液との合計質量100質量%に対して、30質量%以上75質量%以下であることが好ましい。より好ましくは、35質量%以上70質量%以下であり、更に好ましくは、40質量%以上65質量%以下である。アルカリ水電解用隔膜の空隙率を好ましい範囲に調整するためにはこのような割合で溶媒を用いることが好ましい。 When the dispersion of inorganic particles and the solution of the organic polymer are mixed, the total content of the solvent in the dispersion of inorganic particles and the solvent in the solution of the organic polymer is It is preferably 30% by mass or more and 75% by mass or less with respect to the total mass of 100% by mass with the polymer solution. It is more preferably 35% by mass or more and 70% by mass or less, and still more preferably 40% by mass or more and 65% by mass or less. In order to adjust the porosity of the diaphragm for alkaline water electrolysis to a preferable range, it is preferable to use the solvent in such a ratio.
上記樹脂混合液には、更に、隔膜の平均孔径を調整することを目的に、上記樹脂混合液の溶媒と上記有機ポリマーの非溶媒の両方に溶解する化合物を添加剤として添加してもよい。前記添加剤としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、ポリエチレンイミン、ポリアクリル酸、デキストラン等の水溶性ポリマー;界面活性剤;グリセリン;糖類等の有機化合物、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化リチウム等の無機化合物、が挙げられる。 A compound soluble in both the solvent of the resin mixture and the non-solvent of the organic polymer may be added to the resin mixture as an additive for the purpose of adjusting the average pore size of the diaphragm. Examples of the additives include water-soluble polymers such as polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyvinylpyrrolidone, polyethyleneimine, polyacrylic acid, and dextran; surfactants; glycerin; organic compounds such as sugars; calcium chloride, magnesium chloride, and chloride; inorganic compounds such as lithium.
(3)上記樹脂混合液を用いて膜を形成する工程
工程(2)で得られた樹脂混合液を用いて膜を形成する。
上記膜を形成する方法としては、アルカリ溶液中での無機成分の溶出がより一層抑制されたアルカリ水電解用隔膜を容易に製造することができる点で、下記の工程(3-a)、(3-b)を含むことが好ましい。
(3-a)上記樹脂混合液の塗膜を形成する工程、及び、
(3-b)上記塗膜を非溶媒と接触させることにより上記塗膜を凝固させ、多孔質膜を得る工程
以下に、各工程について説明する。
(3) Step of Forming a Film Using the Resin Mixture A film is formed using the resin mixture obtained in step (2).
As the method for forming the membrane, the following steps (3-a), ( 3-b) is preferably included.
(3-a) forming a coating film of the resin mixture, and
(3-b) Step of Contacting the Coating Film with a Non-Solvent to Solidify the Coating Film to Obtain a Porous Film Each step will be described below.
(3-a)樹脂混合液の塗膜を形成する工程
上記樹脂混合液の塗膜を形成する方法としては、例えば、上記で得られた樹脂混合液を基材上に塗布する方法や、上記樹脂混合液中に基材を浸漬させ、上記樹脂混合液が含浸した基材を得る方法等が挙げられる。中でも、簡便に塗膜を形成できる点で、上記樹脂混合液を基材上に塗布する方法が好ましい。
上記樹脂混合液を基材上に塗布する方法としては、特に限定されず、ダイコーティング、スピンコーティング、グラビアコーティング、カーテンコーティング、スプレー、アプリケーター、バーコーター等を用いる方法等の公知の塗布手段を適用することができる。
(3-a) Step of forming a coating film of the resin mixed solution Examples of the method of forming the coated film of the resin mixed solution include a method of applying the resin mixed solution obtained above on a substrate, and a method of applying the resin mixed solution obtained above on a substrate. A method of obtaining a substrate impregnated with the resin mixture by immersing the substrate in the resin mixture can be used. Among them, the method of applying the above-mentioned resin mixed solution onto a base material is preferable in that a coating film can be easily formed.
The method of applying the resin mixture onto the substrate is not particularly limited, and known coating means such as methods using die coating, spin coating, gravure coating, curtain coating, spray, applicator, bar coater, etc. are applied. can do.
上記基材としては、上記樹脂混合液を塗布して塗膜を形成することができるものであれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアセタール、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート等の樹脂からなるフィルム又はシート、ガラス板等が挙げられる。中でも、ハンドリングが良好である点及び原料コストが低減できる点で、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。上記塗膜と多孔性支持体とが一体化した複合体であるアルカリ水電解用隔膜の製造においては、上記基材上に、上記樹脂混合液を塗布し、その塗液上に上記多孔性支持体を置いて塗液を上記多孔性支持体に含浸させる方法が挙げられる。
また、上記基材として上記多孔性支持体を使用し、上記多孔性支持体上に塗膜を形成すると共に、上記樹脂混合液を上記多孔性支持体に含浸させてもよい。
上記樹脂混合液の塗布量としては、特に限定されず、上記隔膜が、上述した効果が発揮できる厚みを有するよう適宜設定すればよい。
The substrate is not particularly limited as long as it can be coated with the resin mixture to form a coating film. Examples include polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, and polyvinyl. A film or sheet made of a resin such as acetal, polymethyl methacrylate, polycarbonate, or the like, a glass plate, or the like can be used. Among them, polyethylene terephthalate is preferable because it is easy to handle and the material cost can be reduced. In the production of the diaphragm for alkaline water electrolysis, which is a composite in which the coating film and the porous support are integrated, the resin mixed solution is applied onto the base material, and the porous support is applied onto the coating solution. A method of impregnating the porous support with the coating liquid by placing the body on the support may be used.
Alternatively, the porous support may be used as the substrate, a coating film may be formed on the porous support, and the porous support may be impregnated with the resin mixture.
The amount of the resin mixed solution to be applied is not particularly limited, and may be appropriately set so that the diaphragm has a thickness capable of exhibiting the above-described effects.
(3-b)上記塗膜を非溶媒と接触させることにより上記塗膜を凝固させる工程
上記塗膜を非溶媒と接触させることにより、上記塗膜中に非溶媒が拡散し、非溶媒に溶解しない上記有機ポリマーが凝固する。一方、非溶媒に溶解しうる塗膜中の溶媒は、塗膜から溶出する。このように相分離が生じることにより、上記有機ポリマー(及び無機粒子)が凝固し、本発明のアルカリ水電解用隔膜が形成される。
上記塗膜と非溶媒とを接触させる方法としては、上記塗膜を上記非溶媒中に浸漬させる方法(凝固浴)、上記塗膜を上記非溶媒蒸気雰囲気中に晒す方法等が挙げられる。
上記非溶媒としては、上記有機ポリマーを実質的に溶解しない性質を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、イオン交換水等の水;メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の低級アルコール;又はこれらの混合溶媒等が挙げられ、中でも経済性と廃液処理の観点からイオン交換水が好ましい。また上記非溶媒には、上述した成分以外に、塗膜中に含まれる溶媒と同様の溶媒を少量含んでいてもよい。
(3-b) A step of contacting the coating film with a non-solvent to solidify the coating film By contacting the coating film with the non-solvent, the non-solvent diffuses in the coating film and dissolves in the non-solvent. Do not allow the organic polymer to solidify. On the other hand, the solvent in the coating film that is soluble in the non-solvent is eluted from the coating film. When the phase separation occurs in this way, the organic polymer (and inorganic particles) is solidified to form the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention.
Examples of the method of bringing the coating film into contact with the non-solvent include a method of immersing the coating film in the non-solvent (coagulation bath), and a method of exposing the coating film to the non-solvent vapor atmosphere.
The non-solvent is not particularly limited as long as it does not substantially dissolve the organic polymer. Examples include water such as ion-exchanged water; lower alcohols such as methanol, ethanol, and isopropyl alcohol; Among them, ion-exchanged water is preferable from the viewpoint of economy and waste liquid treatment. In addition to the components described above, the non-solvent may contain a small amount of the same solvent as the solvent contained in the coating film.
上記非溶媒の使用量は、塗膜100質量部、すなわち、塗膜の形成に用いられる樹脂混合液の固形分100質量部に対して、50質量部以上10000質量部以下であることが好ましい。より好ましくは、100質量部以上5000質量部以下であり、更に好ましくは、200質量部以上1000質量部以下である。得られる隔膜の空隙率を好ましい範囲に調整する点、塗膜中の溶媒を完全に非溶媒中に抽出する点において、非溶媒をこのような割合で使用することが好ましい。
更に、非溶媒を除去するために、前記工程で凝固した塗膜を乾燥させて、隔膜を得てもよい。
上記塗膜の乾燥温度としては、60~120℃が好ましい。
乾燥時間としては、0.5~120分が好ましく、1~60分がより好ましく、1~30分が更に好ましい。
このように、上述した工程(1)~(3)により、本発明のアルカリ水電解用隔膜を簡便に製造することができる。
The amount of the non-solvent used is preferably 50 parts by mass or more and 10000 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the coating film, that is, 100 parts by mass of the solid content of the resin mixture used for forming the coating film. It is more preferably 100 parts by mass or more and 5000 parts by mass or less, and still more preferably 200 parts by mass or more and 1000 parts by mass or less. It is preferable to use the non-solvent in such a ratio in order to adjust the porosity of the membrane to be obtained within a preferable range and to completely extract the solvent in the coating film into the non-solvent.
Furthermore, in order to remove the non-solvent, the coating film solidified in the above step may be dried to obtain the diaphragm.
The drying temperature for the coating film is preferably 60 to 120°C.
The drying time is preferably 0.5 to 120 minutes, more preferably 1 to 60 minutes, even more preferably 1 to 30 minutes.
As described above, the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can be easily produced by the steps (1) to (3) described above.
<アルカリ水電解装置>
本発明のアルカリ水電解用隔膜を含んで構成されるアルカリ水電解装置も本発明の一つである。
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、アルカリ溶液中で無機成分が溶出しにくいものであり、耐アルカリ性に優れるものである。また、より高いイオン伝導性、より高いガスバリア性を両立する。そのため、本発明のアルカリ水電解用隔膜は、アルカリ性水溶液を電解液とした水の電気分解用の隔膜として好適に使用することができる。このような本発明のアルカリ水電解用隔膜を含んで構成されるアルカリ水電解装置は、アルカリ水電解用隔膜にもとづく効果を発揮できる。
<Alkaline water electrolysis device>
An alkaline water electrolysis device comprising the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is also one aspect of the present invention.
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is one in which inorganic components are less likely to elute in an alkaline solution, and is excellent in alkali resistance. In addition, both higher ion conductivity and higher gas barrier properties are achieved. Therefore, the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can be suitably used as a diaphragm for water electrolysis using an alkaline aqueous solution as an electrolyte. An alkaline water electrolysis apparatus including such a diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can exhibit effects based on the diaphragm for alkaline water electrolysis.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、アルカリ水電解装置の部材として好適に用いられる。上記アルカリ水電解装置としては、例えば、陽極、陰極、及び、陽極と陰極との間に配置された本発明のアルカリ水電解用隔膜を含むものが挙げられる。より具体的には、本発明のアルカリ水電解装置は、本発明のアルカリ水電解用隔膜によって隔てられた、陽極が存在する陽極室と、陰極が存在する陰極室とを有する。
上記陽極及び上記陰極としては、特に限定されず、公知の電極を使用できるが、例えばニッケル又はニッケル合金等を含む導電性基体を含むものが挙げられる。
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is suitably used as a member of an alkaline water electrolysis device. Examples of the alkaline water electrolysis apparatus include those including an anode, a cathode, and the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention arranged between the anode and the cathode. More specifically, the alkaline water electrolysis apparatus of the present invention has an anode chamber having an anode and a cathode chamber having a cathode separated by the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention.
The anode and the cathode are not particularly limited, and known electrodes can be used. For example, those containing a conductive substrate containing nickel or a nickel alloy can be used.
〔水電解装置の電解方法〕
本発明のアルカリ水電解用隔膜を含むアルカリ水電解装置を用いて行う水の電気分解の方法は、特に限定されず、公知の方法で行うことができる。例えば、上述した本発明のアルカリ水電解用隔膜を含むアルカリ水電解装置に、電解液を充填し、電解液中で電流を印加することにより行うことができる。
上記電解液としては、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウム等の電解質を溶解したアルカリ性水溶液が用いられる。上記電解液における電解質の濃度は、特に限定されないが、電解効率がより一層向上し得る点で、20~40質量%であることが好ましい。
また、電気分解を行う場合の温度としては、電解液のイオン電導性がより向上し、電解効率がより一層向上し得る点で、50~120℃が好ましく、70~90℃がより好ましい。電流の印加条件は、公知の条件・方法で行うことができる。
[Electrolysis method of water electrolysis device]
The method of electrolyzing water using the alkaline water electrolysis apparatus including the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is not particularly limited, and a known method can be used. For example, it can be carried out by filling an electrolytic solution into an alkaline water electrolysis apparatus including the above-described diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention and applying an electric current in the electrolytic solution.
As the electrolytic solution, an alkaline aqueous solution in which an electrolyte such as potassium hydroxide or sodium hydroxide is dissolved is used. Although the concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is not particularly limited, it is preferably 20 to 40% by mass from the viewpoint of further improving the electrolysis efficiency.
The temperature for electrolysis is preferably 50 to 120° C., more preferably 70 to 90° C., since the ion conductivity of the electrolytic solution can be further improved and the electrolysis efficiency can be further improved. Current application conditions can be performed by known conditions and methods.
以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「重量部」を、「%」は「質量%」を意味するものとする。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited only to these examples. Unless otherwise specified, "part" means "part by weight" and "%" means "% by mass".
<原料の無機粒子(粉体)の平均粒子径>
無機粒子(粉体)と0.2質量%のヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を混合し、超音波洗浄機を用いて分散処理を行った無機粒子分散液について、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(商品名:LA-920、堀場製作所社製)を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準の粒度分布におけるメジアン径(d50)を無機粒子の平均粒子径(μm)とした。
<Average particle size of raw material inorganic particles (powder)>
A laser diffraction/scattering particle size distribution analyzer (product Name: LA-920, manufactured by Horiba Ltd.) was used to measure the particle size distribution, and the median diameter (d50) in the obtained volume-based particle size distribution was defined as the average particle size (μm) of the inorganic particles.
<無機粒子の比表面積>
無機粒子の比表面積は、BET比表面積計(商品名:Macsorb HM model-1210、マウンテック社製)を用いて測定した。具体的には、測定試料として無機粒子(粉体)をセルに仕込み、セル内に窒素ガスを流通しながら、200℃で脱気処理を行った。脱気処理後、セル内に窒素ガスを流通しながら、セルを液体窒素に浸漬して-196℃の温度下にて測定試料に窒素を吸着させた。次いで、セルを常温下に保ち、脱離する窒素量を測定することでBET法による比表面積を測定した。測定は一試料につき3回行い、その平均値を無機粒子の比表面積(m2/g)とした。
<Specific surface area of inorganic particles>
The specific surface area of the inorganic particles was measured using a BET specific surface area meter (trade name: Macsorb HM model-1210, manufactured by Mountec). Specifically, inorganic particles (powder) as a measurement sample were placed in a cell, and deaeration treatment was performed at 200° C. while nitrogen gas was circulated in the cell. After the degassing treatment, the cell was immersed in liquid nitrogen while nitrogen gas was circulated in the cell to adsorb nitrogen onto the measurement sample at a temperature of -196°C. Next, the specific surface area was measured by the BET method by keeping the cell at room temperature and measuring the amount of desorbed nitrogen. The measurement was performed three times for each sample, and the average value was taken as the specific surface area (m 2 /g) of the inorganic particles.
<無機粒子のアスペクト比>
無機粒子(粉体)を走査型電子顕微鏡(FE-SEM、商品名:JSM-7600F、日本電子社製)により倍率2万倍での観察画像を得た。得られた画像の任意の10粒子において、解析ソフト(Image-Pro Premier)を使用して、各粒子の最長径aと最短径bとの比(a/b)を測定し、それらの比の加算平均を算出し、無機粒子のアスペクト比とした。
上記最長径aとしては、例えば、粒子の形状が板状の場合、粒子の板面の長径を採用し、繊維状である場合は、繊維の長さを採用した。また、最長径aの中点を通って最長径と直行する径のうちの最も短い径を最短径bとする。上記最短径bとしては、例えば、粒子の形状が薄片状や六角板状等の板状の場合は、粒子の厚みを採用し、繊維状である場合は、繊維の太さを採用する。粒子の厚み及び繊維の太さとしては、最長径aの中点における厚み、太さをそれぞれ採用した。
<Aspect ratio of inorganic particles>
An observation image of the inorganic particles (powder) was obtained with a scanning electron microscope (FE-SEM, trade name: JSM-7600F, manufactured by JEOL Ltd.) at a magnification of 20,000. Using analysis software (Image-Pro Premier), the ratio (a/b) between the longest diameter a and the shortest diameter b of each particle was measured for any 10 particles in the obtained image, and the ratio of these ratios was calculated. An addition average was calculated and taken as the aspect ratio of the inorganic particles.
As the longest diameter a, for example, when the shape of the particle is plate-like, the length of the plate surface of the particle is used, and when the particle is fibrous, the length of the fiber is used. The shortest diameter among the diameters passing through the midpoint of the longest diameter a and perpendicular to the longest diameter is defined as the shortest diameter b. As the shortest diameter b, for example, when the shape of the particles is plate-like such as flakes or hexagonal plates, the thickness of the particles is used, and when the particles are fibrous, the thickness of the fibers is used. As the thickness of the particles and the thickness of the fibers, the thickness and thickness at the midpoint of the longest diameter a were used, respectively.
<無機粒子分散液中の無機粒子の平均粒子径>
得られた無機粒子分散液0.1質量部を分散媒2質量部により希釈した無機粒子分散液の希釈液について、動的光散乱法による粒度分布測定器(商品名:FPAR-1000、大塚電子社製)を用いて、無機粒子分散液中に分散した無機粒子の粒子径測定を行い、キュムラント法解析により得られた平均粒子径を無機粒子分散液中に分散した無機粒子の平均粒子径とした。
<Average particle size of inorganic particles in inorganic particle dispersion>
0.1 part by mass of the obtained inorganic particle dispersion was diluted with 2 parts by mass of a dispersion medium, and the diluted solution of the inorganic particle dispersion was measured with a particle size distribution analyzer (trade name: FPAR-1000, Otsuka Electronics) using a dynamic light scattering method. Co., Ltd.), the particle size of the inorganic particles dispersed in the inorganic particle dispersion is measured, and the average particle size obtained by the cumulant method analysis is the average particle size of the inorganic particles dispersed in the inorganic particle dispersion. did.
<多孔性支持体の厚み>
多孔性支持体について、デジマチックマイクロメーター(ミツトヨ社製)を用いて、任意の10点を測定し、その平均値を算出し、多孔性支持体の厚みとした。
<Thickness of porous support>
The porous support was measured at arbitrary 10 points using a digimatic micrometer (manufactured by Mitutoyo), and the average value was calculated as the thickness of the porous support.
<多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置及び隔膜の厚み>
5箇所の測定箇所について、下記に示す方法により、基準線A、充填線B、基準線Aと充填線Bとの距離であるX値、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X又は-X、及び基準線A′、充填線B′、基準線A′と充填線B′との距離であるX′値、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X′又は-X′を求めた。また、充填線B及び充填線B′との距離より隔膜の厚みTを求めた。なお、位置+X又は-Xの平均値、位置+X′又は-X′の平均値は、それぞれ、5箇所の測定箇所の平均値である。
<Average Position on Resin Composition Layer Surface and Separator Thickness Based on Porous Support Surface>
For five measurement points, the following method was used to determine the reference line A, the filling line B, the X value that is the distance between the reference line A and the filling line B, and the resin composition layer surface based on the surface of the porous support. position +X or -X, reference line A', filling line B', X' value which is the distance between reference line A' and filling line B', resin composition layer surface based on porous support surface position +X' or -X' was obtained. Also, the thickness T of the diaphragm was obtained from the distance between the filling line B and the filling line B'. The average value of the positions +X or -X and the average value of the positions +X' or -X' are the average values of five measurement points.
<基準線A>
得られたアルカリ水電解用隔膜の一方の表面に対し、垂直に切断し、切断面をイオンミリング加工して得られた断面のうち、幅の長さが160μmの領域について、走査型電子顕微鏡を用いて800倍の拡大写真を撮影した。視野は隔膜片側の表面から隔膜の全厚の20%以上となるようにした。
得られた拡大写真における多孔性支持体部分のうち、幅方向の中点より左側の領域における隔膜の表面に最も近い点と、該中点より右側の領域における隔膜の表面に最も近い点とを結び、両端部間の幅方向の長さが120μm以上である直線を基準線Aとした。なお、隔膜の表面に最も近い点とは、隔膜の表面が樹脂組成物から構成されている場合、当該表面に最も近い多孔性支持体部分の端部の点であり、隔膜の表面が多孔性支持体部分の端部から構成されている場合、隔膜の表面を構成する多孔性支持体部分の端部が隔膜の表面に最も近い点(隔膜の表面との距離が0)となるため、隔膜の表面を構成する多孔性支持体部分の端部の任意の点である。
<Reference line A>
One surface of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis is cut perpendicularly, and the cross section obtained by ion milling the cut surface is examined with a scanning electron microscope for a region having a width of 160 μm. An 800-fold magnified photograph was taken using the camera. The field of view was set to be 20% or more of the total thickness of the diaphragm from the surface of one side of the diaphragm.
Of the porous support portion in the obtained enlarged photograph, the point closest to the surface of the diaphragm in the region on the left side of the midpoint in the width direction and the point closest to the surface of the diaphragm in the region on the right side of the midpoint A straight line having a length of 120 μm or more in the width direction between both ends was defined as a reference line A. The point closest to the surface of the diaphragm is the point at the end of the porous support portion closest to the surface when the surface of the diaphragm is composed of a resin composition, and the surface of the diaphragm is porous. When it is composed of the ends of the support portion, the end portion of the porous support portion constituting the surface of the diaphragm is the closest point to the surface of the diaphragm (the distance from the surface of the diaphragm is 0), so the diaphragm is any point at the end of the porous support portion that constitutes the surface of the
<充填線B>
基準線Aに平行な線を、基準線Aの表面側とは反対側から基準線Aの表面側へ順に走査した際に、該平行線の長さに対する、該平行線上における空間部分(不織布繊維等の多孔性基材も組成物も無い部分)の長さ合計の割合が10%以下となる充填部が終結する境界線を充填線Bとした。なお、充填部が2つ以上存在する場合、充填線Bは、充填部が終結する境界線のうち、基準線Aとの距離が最も近い線とした。
<Filling line B>
When a line parallel to the reference line A is scanned sequentially from the side opposite to the surface side of the reference line A to the surface side of the reference line A, the space portion (nonwoven fabric fiber A filling line B was defined as a boundary line where the filling portion where the ratio of the total length of the porous substrate and the composition (such as a portion without the porous substrate and the composition) is 10% or less. When there are two or more filling portions, the filling line B is the line closest to the reference line A among the boundary lines where the filling portions end.
<X値、及び、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置>
基準線Aと充填線Bとの距離をX値として、撮影画像から算出した。多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置は、平行線の走査方向において、充填線Bが基準線Aの手前であるとき(膜の内側であるとき)は-X、基準線Aを超えるとき(膜の外側であるとき)は+Xとした。
次に、他方の表面に向けて、厚み方向に撮像視野を移動した後、他方の表面についても、同様にして基準線A′、充填線B′を求め、その距離X′、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X′又は-X′を求めた。
<X value and position of the surface of the resin composition layer relative to the surface of the porous support>
The distance between the reference line A and the filling line B was calculated from the photographed image as the X value. The position of the resin composition layer surface with respect to the surface of the porous support is -X when the filling line B is in front of the reference line A (inside the membrane) in the scanning direction of the parallel lines, and the reference +X was given when exceeding line A (outside the membrane).
Next, after moving the field of view in the thickness direction toward the other surface, the reference line A' and the filling line B' are obtained in the same manner for the other surface. The position +X' or -X' of the surface of the resin composition layer based on the surface was determined.
<隔膜の厚み>
一方の表面での基準線A、充填線B、その間の距離X、基準線Aと充填線Bとの位置関係、及び、他方の表面での、基準線A′、充填線B′、その間の距離X′、基準線A′と充填線B′との位置関係を求めた後、厚み方向に、隔膜の全体が確認できる倍率まで倍率を下げて、基準線B及びB′を判定し、その間の距離を隔膜の厚みTとして、撮影画像から算出した。
<Thickness of Diaphragm>
The reference line A, the fill line B, the distance X between them, the positional relationship between the reference line A and the fill line B on one surface, and the reference line A', the fill line B', and the distance between them on the other surface After obtaining the distance X' and the positional relationship between the reference line A' and the filling line B', the magnification is lowered in the thickness direction until the entire diaphragm can be confirmed, and the reference lines B and B' are determined. was calculated from the photographed image as the thickness T of the diaphragm.
<空隙率>
得られたアルカリ水電解用隔膜の空隙率は、下記に示す方法により測定された隔膜の実測密度値、及び各々の組成成分の密度値を用いて組成比より算出される計算密度値より、下記式から算出した。
空隙率(%)=[1-(実測密度値)/(計算密度値)]×100
実測密度値は、得られた隔膜の任意の場所から切り出した試験片について、質量と体積を測定し、質量を体積で除すことにより算出した。体積は、試験片の縦方向の長さ、横方向の長さを、ノギスを用いて測定、膜厚を上記膜厚測定方法に基づき測定することにより算出した。また、試験片の質量は、体積を測定した試験片について小数点4桁の精密天秤を用いて測定した。
<Porosity>
The porosity of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis was calculated from the calculated density value calculated from the composition ratio using the measured density value of the diaphragm measured by the method shown below and the density value of each composition component, as shown below. Calculated from the formula.
Porosity (%) = [1 - (measured density value) / (calculated density value)] × 100
The measured density value was calculated by measuring the mass and volume of a test piece cut out from an arbitrary location of the obtained diaphragm and dividing the mass by the volume. The volume was calculated by measuring the vertical and horizontal lengths of the test piece using vernier calipers, and measuring the film thickness based on the film thickness measurement method described above. In addition, the mass of the test piece was measured using a precision balance with 4 decimal places for the test piece whose volume was measured.
<水中での空気の接触角>
得られたアルカリ水電解用隔膜の表面における水中での空気の接触角は、該隔膜を23℃の純水に浸漬した後、三態系キット(協和界面科学社製)により、純水中で該隔膜の表面に約2μlの気泡(空気)を付着させ、気泡(空気)を付着させてから30秒後の接触角について、接触角計(固液界面解析装置DropMaster700、協和界面科学社製)を用いて測定した。ここで、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置の測定におけるX値を求めた表面における水中での空気の接触角をCA(X)、X′値を求めた表面における水中での空気の接触角をCA(X′)として、それぞれの接触角を求めた。
<Contact angle of air in water>
The contact angle of air in water on the surface of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis was measured by immersing the diaphragm in pure water at 23° C. and then using a three-phase kit (manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.). About 2 μl of air bubbles (air) are attached to the surface of the diaphragm, and the contact angle is measured 30 seconds after the air bubbles are attached using a contact angle meter (solid-liquid interface analyzer DropMaster 700, manufactured by Kyowa Interface Science Co., Ltd.). was measured using Here, CA (X) is the contact angle of air in water on the surface for which the X value was obtained in the measurement of the average position of the resin composition layer surface with respect to the porous support surface, and the surface for which the X' value was obtained. The contact angle of air in water was defined as CA(X'), and each contact angle was obtained.
<イオン伝導度>
以下のセル構成で形成したセルを25℃の恒温槽内で30分静置した後、以下の測定条件で交流インピーダンス測定を行い、得られた切片成分(Ra)と測定サンプルを入れない場合の切片成分(Rb)及び上記膜厚測定方法により得られた膜厚を用いて、下記式によりイオン伝導度を測定点数2点の平均値として算出した。
[イオン伝導度(mS/cm)]=[膜厚(cm)]÷[(Ra-Rb)×1000×1.77]
(測定条件)
・セル構成
作用極:Ni板
対極 :Ni板
電解液:30質量%水酸化カリウム水溶液
サンプル前処理:上記電解液に1晩浸漬
測定有効面積:1.77cm2
・交流インピーダンス測定条件
印加電圧:10mV vs.開回路電圧
周波数領域:100kHz~100Hz
<Ionic conductivity>
After leaving the cell formed with the following cell configuration in a constant temperature bath at 25° C. for 30 minutes, AC impedance measurement was performed under the following measurement conditions. Using the intercept component (Rb) and the film thickness obtained by the above film thickness measurement method, the ion conductivity was calculated as the average value of two measurement points according to the following formula.
[Ionic conductivity (mS / cm)] = [film thickness (cm)] ÷ [(Ra-Rb) × 1000 × 1.77]
(Measurement condition)
・Cell configuration Working electrode: Ni plate Counter electrode: Ni plate Electrolyte solution: 30% by mass potassium hydroxide aqueous solution Sample pretreatment: immersed overnight in the above electrolyte solution Effective area for measurement: 1.77 cm 2
- AC impedance measurement conditions Applied voltage: 10 mV vs. Open circuit voltage Frequency range: 100kHz to 100Hz
<バブルポイント値>
得られたアルカリ水電解用隔膜について、リキッドポロシメーター(Porous Materials社製)を用いてバブルポイント値を測定した。具体的には、2.5cmφの隔膜をイオン交換水中に室温で1時間浸漬させて十分に湿潤させた後、フッ素系溶剤であるGalwick(Porous Materials社製)を隔膜上に満たした。隔膜に対するガス圧を昇圧させていき、水の液膜が破壊されて、Galwickが膜を透過して天秤でその重量を観測した時点のガス圧をバブルポイント値とした。
バブルポイント値が大きい値である方が、ガス透過の抑制効果が高いことを示す。
<bubble point value>
The bubble point value of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis was measured using a liquid porosimeter (manufactured by Porous Materials). Specifically, a diaphragm of 2.5 cmφ was immersed in deionized water at room temperature for 1 hour to be sufficiently wet, and then the diaphragm was filled with Galwick (manufactured by Porous Materials), which is a fluorine-based solvent. The gas pressure against the diaphragm was increased, and the gas pressure at the time when the liquid film of water was broken, Galwick permeated the film, and the weight was observed with a balance was taken as the bubble point value.
A larger bubble point value indicates a higher effect of suppressing gas permeation.
[調製例1]
水酸化マグネシウム粒子(板状、平均粒子径0.36μm、比表面積:10m2/g、アスペクト比4.7)200質量部、N-メチル-2-ピロリドン(三菱ケミカル社製)150質量部、分散剤としてポリビニルピロリドン5質量部を混合し、ジルコニアビーズを用いてビーズミルにより30分間分散処理を行った後、ジルコニアビーズを除去することにより、水酸化マグネシウム粒子分散液を得た。得られた水酸化マグネシウム粒子分散液中の水酸化マグネシウム粒子の平均粒子径は280nmであった。
得られた水酸化マグネシウム粒子分散液200質量部、ポリスルホン樹脂(商品名:ウルトラゾーンS3010、BASF社製)を35質量%の濃度で80~100℃にてN-メチル-2-ピロリドン(三菱ケミカル社製)に熱溶解させることにより得られたポリスルホン樹脂溶液100質量部を計り取り、自転公転ミキサー(商品名:あわとり練太郎ARE-500、シンキー社製)を用いて、室温にて、回転数1000min-1で約10分間混合した後、ろ過を行い、成膜用組成物を得た。
[Preparation Example 1]
200 parts by mass of magnesium hydroxide particles (plate-like, average particle size 0.36 μm, specific surface area: 10 m 2 /g, aspect ratio 4.7), N-methyl-2-pyrrolidone (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) 150 parts by mass, 5 parts by mass of polyvinylpyrrolidone was mixed as a dispersant, and zirconia beads were used to perform dispersion treatment in a bead mill for 30 minutes, after which the zirconia beads were removed to obtain a magnesium hydroxide particle dispersion. The average particle size of the magnesium hydroxide particles in the resulting magnesium hydroxide particle dispersion was 280 nm.
200 parts by mass of the obtained magnesium hydroxide particle dispersion, polysulfone resin (trade name: Ultrason S3010, manufactured by BASF) at a concentration of 35% by mass at 80 to 100 ° C. N-methyl-2-pyrrolidone (Mitsubishi Chemical 100 parts by mass of the polysulfone resin solution obtained by thermally dissolving it in (manufactured by Thinky Corporation) is weighed and rotated at room temperature using a rotation and revolution mixer (trade name: Awatori Mixer ARE-500, manufactured by Thinky Corporation). After mixing for about 10 minutes at several thousand min −1 , filtration was performed to obtain a film-forming composition.
[調製例2]
水酸化マグネシウム粒子(板状、平均粒子径0.36μm、比表面積:10m2/g、アスペクト比4.7)200質量部、N-メチル-2-ピロリドン(三菱ケミカル社製)150質量部、分散剤としてポリビニルピロリドン5質量部を混合し、ジルコニアビーズを用いてビーズミルにより30分間分散処理を行った後、ジルコニアビーズを除去することにより、水酸化マグネシウム粒子分散液を得た。得られた水酸化マグネシウム粒子分散液中の水酸化マグネシウム粒子の平均粒子径は280nmであった。
得られた水酸化マグネシウム粒子分散液200質量部、ポリスルホン樹脂(商品名:ウルトラゾーンS3010、BASF社製)を35質量%の濃度で80~100℃にてN-メチル-2-ピロリドン(三菱ケミカル社製)に熱溶解させることにより得られたポリスルホン樹脂溶液100質量部、N-メチル-2-ピロリドン(三菱ケミカル社製)45質量部を計り取り、自転公転ミキサー(商品名:あわとり練太郎ARE-500、シンキー社製)を用いて、室温にて、回転数1000min-1で約10分間混合した後、ろ過を行い、成膜用組成物を得た。
[Preparation Example 2]
200 parts by mass of magnesium hydroxide particles (plate-like, average particle size 0.36 μm, specific surface area: 10 m 2 /g, aspect ratio 4.7), N-methyl-2-pyrrolidone (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) 150 parts by mass, 5 parts by mass of polyvinylpyrrolidone was mixed as a dispersant, and zirconia beads were used to perform dispersion treatment in a bead mill for 30 minutes, after which the zirconia beads were removed to obtain a magnesium hydroxide particle dispersion. The average particle size of the magnesium hydroxide particles in the resulting magnesium hydroxide particle dispersion was 280 nm.
200 parts by mass of the obtained magnesium hydroxide particle dispersion, polysulfone resin (trade name: Ultrason S3010, manufactured by BASF) at a concentration of 35% by mass at 80 to 100 ° C. N-methyl-2-pyrrolidone (Mitsubishi Chemical 100 parts by mass of polysulfone resin solution and 45 parts by mass of N-methyl-2-pyrrolidone (manufactured by Mitsubishi Chemical Co., Ltd.) obtained by thermally dissolving them in (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation) were weighed and ARE-500 (manufactured by Thinky Corporation), the mixture was mixed at room temperature at a rotational speed of 1000 min −1 for about 10 minutes, and then filtered to obtain a film-forming composition.
[実施例1]
ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上にアプリケーターにて調製例1で得られた成膜用組成物を秤量値が22mg/cm2になるように塗布し、その上にポリフェニレンサルファイド繊維からなる不織布(目付:100g/m2、厚み:205μm)を接触させることで、不織布に成膜用組成物を完全に含浸させた。その後、成膜用組成物を含浸させた不織布を、室温にて10分間水浴させることで塗布膜を凝固させた後、水中でPETフィルムから不織布ごと塗布膜を剥離することにより、水酸化マグネシウム粒子、ポリスルホン樹脂及び不織布からなる含水膜を得た。得られた膜を、乾燥機にて80℃で30分間乾燥し、アルカリ水電解用隔膜を得た。
[Example 1]
The film-forming composition obtained in Preparation Example 1 was applied to a polyethylene terephthalate (PET) film with an applicator so that the basis weight was 22 mg/cm 2 , and a nonwoven fabric made of polyphenylene sulfide fibers (basis weight: 100 g/m 2 , thickness: 205 μm), the nonwoven fabric was completely impregnated with the film-forming composition. Thereafter, the nonwoven fabric impregnated with the film-forming composition is subjected to a water bath at room temperature for 10 minutes to solidify the coating film, and then the coating film is peeled off from the PET film together with the nonwoven fabric in water to obtain magnesium hydroxide particles. , polysulfone resin and a non-woven fabric were obtained. The obtained membrane was dried at 80° C. for 30 minutes in a dryer to obtain a diaphragm for alkaline water electrolysis.
得られたアルカリ水電解用隔膜の厚み(T)は245μm、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置Xの平均値は-5μm、X′の平均値は+41μm、空隙率は51%、水中での空気の接触角CA(X)は157°、CA(X′)は160°、イオン伝導度は150mS/cm、バブルポイント値は620kPaであった。 The obtained diaphragm for alkaline water electrolysis had a thickness (T) of 245 μm, an average value of position X on the surface of the resin composition layer based on the surface of the porous support was −5 μm, an average value of X′ was +41 μm, and porosity. was 51%, the air contact angle CA(X) in water was 157°, CA(X') was 160°, the ionic conductivity was 150 mS/cm, and the bubble point value was 620 kPa.
[実施例2]
ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上にアプリケーターに調製例2で得られた成膜用組成物を秤量値が28mg/cm2になるように塗布し、その上にポリフェニレンサルファイド繊維からなる不織布(目付:100g/m2、厚み:205μm)を接触させることで、不織布に成膜用組成物を完全に含浸させた。その後、成膜用組成物を含浸させた不織布を、室温にて10分間水浴させることで塗布膜を凝固させた後、水中でPETフィルムから不織布ごと塗布膜を剥離することにより、水酸化マグネシウム粒子、ポリスルホン樹脂及び不織布からなる含水膜を得た。得られた膜を、乾燥機にて80℃で30分間乾燥し、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られたアルカリ水電解用隔膜の厚みTは249μm、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置Xの平均値は+3μm、X′の平均値は+38μm、空隙率は49%、水中での空気の接触角CA(X)は158°、CA(X′)は162°、イオン伝導度は145mS/cm、バブルポイント値は650kPaであった。
[Example 2]
The film-forming composition obtained in Preparation Example 2 was applied to a polyethylene terephthalate (PET) film with an applicator so that the basis weight was 28 mg/cm 2 . /m 2 , thickness: 205 μm), the nonwoven fabric was completely impregnated with the film-forming composition. Thereafter, the nonwoven fabric impregnated with the film-forming composition is subjected to a water bath at room temperature for 10 minutes to solidify the coating film, and then the coating film is peeled off from the PET film together with the nonwoven fabric in water to obtain magnesium hydroxide particles. , polysulfone resin and a non-woven fabric were obtained. The obtained membrane was dried at 80° C. for 30 minutes in a dryer to obtain a diaphragm for alkaline water electrolysis.
The obtained diaphragm for alkaline water electrolysis had a thickness T of 249 μm, an average value of position X on the surface of the resin composition layer based on the surface of the porous support of +3 μm, an average value of X′ of +38 μm, and a porosity of 49%. , the air contact angle CA(X) in water was 158°, CA(X') was 162°, the ionic conductivity was 145 mS/cm, and the bubble point value was 650 kPa.
[比較例1]
ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上にアプリケーターにて調製例1で得られた成膜用組成物を秤量値が24mg/cm2になるように塗布し、その上にポリフェニレンサルファイド繊維からなる不織布(目付:100g/m2、厚み:205μm)を接触させ、直後に、室温にて水浴させ、そのまま室温にて10分間水浴させることで塗布膜を凝固させた。その後、水中でPETフィルムから不織布ごと塗布膜を剥離することにより、水酸化マグネシウム粒子、ポリスルホン樹脂及び不織布からなる含水膜を得た。得られた膜を、乾燥機にて80℃で30分間乾燥し、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られたアルカリ水電解用隔膜の厚みTは256μm、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置Xの平均値は-18μm、X′の平均値は+52μm、空隙率は55%、水中での空気の接触角CA(X)は140°、CA(X′)は159°、イオン伝導度は120mS/cm、バブルポイント値は270kPaであった。
[Comparative Example 1]
The film-forming composition obtained in Preparation Example 1 was applied to a polyethylene terephthalate (PET) film with an applicator so that the basis weight was 24 mg/cm 2 , and a nonwoven fabric made of polyphenylene sulfide fibers (basis weight: 100 g/m 2 , thickness: 205 μm), and immediately after that, the coating film was solidified by water bathing at room temperature for 10 minutes. Thereafter, the coated film was peeled off from the PET film together with the nonwoven fabric in water to obtain a water-containing film composed of magnesium hydroxide particles, polysulfone resin and nonwoven fabric. The obtained membrane was dried at 80° C. for 30 minutes in a dryer to obtain a diaphragm for alkaline water electrolysis.
The obtained diaphragm for alkaline water electrolysis had a thickness T of 256 μm, an average value of position X on the surface of the resin composition layer relative to the surface of the porous support was −18 μm, an average value of X′ was +52 μm, and the porosity was 55. %, the air contact angle CA(X) in water was 140°, CA(X') was 159°, the ionic conductivity was 120 mS/cm, and the bubble point value was 270 kPa.
[比較例2]
ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上にアプリケーターにて調製例2で得られた成膜用組成物を秤量値が26mg/cm2になるように塗布し、その上に樹脂組成物層を上側にして比較例1で得られたアルカリ水電解用隔膜を接触させ、成膜用組成物を含浸させた。その後、成膜用組成物を含浸させた隔膜を、室温にて10分間水浴させることで塗布膜を凝固させた後、水中でPETフィルムから不織布ごと塗布膜を剥離して得られた水酸化マグネシウム粒子、ポリスルホン樹脂及び不織布からなる含水膜を、乾燥機にて80℃で30分間乾燥することにより、両面に水酸化マグネシウム粒子とポリスルホン樹脂からなる層を有するアルカリ水電解用隔膜を得た。
得られたアルカリ水電解用隔膜の厚みTは264μm、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置Xの平均値は+25μm、X′の平均値は+45μm、空隙率は53%、水中での空気の接触角CA(X)は152°、CA(X′)は156°、イオン伝導度は56mS/cm、バブルポイント値は460kPaであった。
[Comparative Example 2]
The film-forming composition obtained in Preparation Example 2 was applied onto a polyethylene terephthalate (PET) film with an applicator so that the weighing value was 26 mg/cm 2 , and the resin composition layer was placed on top for comparison. The diaphragm for alkaline water electrolysis obtained in Example 1 was brought into contact and impregnated with the film-forming composition. After that, the membrane impregnated with the film-forming composition is subjected to a water bath at room temperature for 10 minutes to solidify the coating film, and then the coating film is peeled off from the PET film together with the nonwoven fabric in water. Magnesium hydroxide obtained. A diaphragm for alkaline water electrolysis having layers of magnesium hydroxide particles and polysulfone resin on both sides was obtained by drying the water-containing membrane composed of the particles, polysulfone resin and non-woven fabric in a dryer at 80° C. for 30 minutes.
The obtained diaphragm for alkaline water electrolysis had a thickness T of 264 µm, an average position X of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support of +25 µm, an average X' of +45 µm, and a porosity of 53%. , the air contact angle CA(X) in water was 152°, CA(X') was 156°, the ionic conductivity was 56 mS/cm, and the bubble point value was 460 kPa.
以上の結果より、一方の表面では、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置が+20μm以上、+100μm以下であり、他方の表面では、該平均位置が-10μm以上、+10μm以下となるように調製した実施例1、2のアルカリ水電解用隔膜では、他方の表面において、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置が-10μmよりも膜の内側となるように調製した比較例1のアルカリ水電解用隔膜と比較して、隔膜の両表面での接触角は高く、ほぼ等しい接触角を示したことから、両面共にガスの付着性が低い状態にあることが認められた。更に、バブルポイント値も高く、ガスの透過が抑制されていると共に、高いイオン伝導性を示すことも認められた。
また、実施例1、2のアルカリ水電解用隔膜では、他方の表面において、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置が+10μmよりも膜の外側となるように調製した比較例2のアルカリ水電解用隔膜との比較において、隔膜の両表面での接触角及びバブルポイント値から、隔膜両面のガス付着性は同等であるものの、ガス透過の抑制効果やイオン伝導性がより高い隔膜となることが認められた。
なお、比較例2のアルカリ水電解用隔膜は、実質的に両面に単膜層が形成されているものであるのに、実施例1、2と比べてガスバリア性が低くなった理由としては、以下の理由が考えられる。すなわち、比較例2の隔膜は、比較例1で得られたアルカリ水電解用隔膜を基材としているので、一度凝固したポリスルホンが、塗料と接触することで一部再溶解する。従って、比較例2では、元の塗料のポリスルホンの凝固と再溶解したポリスルホンの凝固が起こるが、ポリスルホンが再溶解した部分では、元々形成されていた微細構造が一度破壊され、微細構造により形成されていた細孔の径が変化した(結果から推察するに、大きくなった)ことによる影響が考えられる。
From the above results, on one surface, the average position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support is +20 μm or more and +100 μm or less, and on the other surface, the average position is −10 μm or more and +10 μm. In the diaphragms for alkaline water electrolysis of Examples 1 and 2 prepared as follows, on the other surface, the position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support was -10 μm from the inside of the membrane. Compared with the diaphragm for alkaline water electrolysis of Comparative Example 1, which was prepared to be One thing was recognized. Furthermore, it was confirmed that the bubble point value is high, gas permeation is suppressed, and high ionic conductivity is exhibited.
In addition, in the diaphragms for alkaline water electrolysis of Examples 1 and 2, on the other surface, the position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support was prepared so that it was outside the membrane beyond +10 μm. In comparison with the diaphragm for alkaline water electrolysis of Example 2, the contact angle and bubble point values on both surfaces of the diaphragm show that the gas adhesion on both sides of the diaphragm is equivalent, but the effect of suppressing gas permeation and ionic conductivity are higher. A high diaphragm was observed.
The reason why the diaphragm for alkaline water electrolysis of Comparative Example 2 has a lower gas barrier property than those of Examples 1 and 2, although the diaphragm for alkaline water electrolysis is substantially formed with single membrane layers on both sides, is as follows. The following reasons are conceivable. That is, since the diaphragm of Comparative Example 2 uses the diaphragm for alkaline water electrolysis obtained in Comparative Example 1 as a base material, the polysulfone once solidified is partially redissolved by contact with the paint. Therefore, in Comparative Example 2, solidification of the polysulfone of the original paint and solidification of the redissolved polysulfone occurred, but in the portion where the polysulfone was redissolved, the originally formed microstructure was once destroyed and formed by the microstructure. This is considered to be due to the change in the diameter of the pores that had been formed (increased, as can be inferred from the results).
Claims (2)
該隔膜は、多孔性支持体、並びに、該多孔性支持体に有機ポリマー及び無機粒子を含む樹脂組成物を含浸して得られる樹脂組成物層を有し、隔膜の一方の表面では、下記方法で測定される、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置が+20μm以上、+100μm以下であり、隔膜の他方の表面では、該平均位置が-10μm以上、+10μm以下であることを特徴とするアルカリ水電解用隔膜。
多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置の測定方法:
(1)隔膜の一方の表面に対し、垂直に切断し、切断面をイオンミリング加工して得られた断面において、走査型電子顕微鏡を用いて、それぞれ幅方向の長さが160μmである、任意の5つの領域を選択する。
(2)各領域について、走査型電子顕微鏡を用いて撮影した、隔膜の一方の表面部分の拡大写真上、隔膜の一方の表面側の、幅方向の中点より左側の領域における多孔性支持体の端部と、幅方向の中点より右側の領域における多孔性支持体の端部とを結び、両端部間の幅方向の長さが120μm以上である直線を基準線Aとする。
(3)(2)の拡大写真上、基準線Aの平行線を、該隔膜の一方の表面側とは反対側から該隔膜の一方の表面側へ走査した際に、該平行線の長さに対する、該平行線上における空間部分の長さの合計の割合が10%以下である充填部が終結する境界線を充填線Bとする。
(4)基準線Aと充填線Bとの距離Xを算出する。多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置を、平行線の走査方向において、充填線Bが基準線Aの手前であるときは-Xとし、基準線Aを超えるときは+Xとする。
(5)各領域について、走査型電子顕微鏡を用いて撮影した、隔膜の一方の表面とは反対側の表面部分の拡大写真においても、(1)と同様にして任意の5つの領域を選択し、各領域において(2)~(4)と同様にして基準線A′、充填線B′を求め、基準線A′と充填線B′との距離X′を算出し、多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X′又は-X′を決める。
(6)各領域についての多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X又は-Xの平均値、及び、各領域についての多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の位置+X′又は-X′の平均値を、それぞれ、各表面での多孔性支持体表面を基準とした樹脂組成物層表面の平均位置とする。 A diaphragm used for alkaline water electrolysis,
The diaphragm has a porous support and a resin composition layer obtained by impregnating the porous support with a resin composition containing an organic polymer and inorganic particles. The average position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support is +20 μm or more and +100 μm or less, and the average position of the other surface of the diaphragm is −10 μm or more and +10 μm or less. A diaphragm for alkaline water electrolysis, characterized by:
Method for measuring the average position of the surface of the resin composition layer relative to the surface of the porous support:
(1) A cross section obtained by cutting perpendicularly to one surface of the diaphragm and ion milling the cut surface is examined using a scanning electron microscope, and the length in the width direction is 160 μm. Select five regions of
(2) The porous support in the region on the left side of the midpoint in the width direction on the one surface side of the diaphragm on the enlarged photograph of the one surface portion of the diaphragm taken using a scanning electron microscope for each region and the edge of the porous support in the region on the right side of the midpoint in the width direction, and a straight line having a length of 120 μm or more in the width direction between both ends is defined as a reference line A.
(3) On the enlarged photograph of (2), when the parallel line of the reference line A is scanned from the side opposite to the one surface side of the diaphragm to the one surface side of the diaphragm, the length of the parallel line A filling line B is defined as a boundary line where a filling portion having a ratio of the total length of the space portion on the parallel line of 10% or less ends.
(4) A distance X between the reference line A and the filling line B is calculated. The position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support is -X when the filling line B is in front of the reference line A in the scanning direction of the parallel lines, and +X when it exceeds the reference line A. and
(5) For each region, select any five regions in the same manner as in (1) in the enlarged photograph of the surface portion on the opposite side of the one surface of the diaphragm taken using a scanning electron microscope. , in each region, the reference line A' and the filling line B' are obtained in the same manner as in (2) to (4), the distance X' between the reference line A' and the filling line B' is calculated, and the porous support surface Determine the position +X' or -X' on the surface of the resin composition layer based on .
(6) the average value of the position +X or -X on the surface of the resin composition layer based on the surface of the porous support for each region, and the resin composition layer based on the surface of the porous support for each region The average value of the surface position +X' or -X' is defined as the average position of the resin composition layer surface relative to the surface of the porous support on each surface.
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