JP7641817B2 - Diaphragm for alkaline water electrolysis and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、アルカリ水電解用隔膜、及びその製造方法に関する。より詳しくは、熱アルカリ中におけるイオン伝導性の安定性に優れる、アルカリ水電解用隔膜、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a diaphragm for alkaline water electrolysis and a method for producing the same. More specifically, the present invention relates to a diaphragm for alkaline water electrolysis that has excellent stability of ion conductivity in hot alkali, and a method for producing the same.
水の電気分解(「電解」ともいう。)は、水素ガスの工業的な製造方法の一つとして知られており、一般的に、導電性を高めるために水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等を電解質として添加した水に電流を印加することにより行われる。このような水の電気分解には、陽極(アノード)と陰極(カソード)がそれぞれ配置された陽極室と陰極室を有し、これらが隔膜により仕切られた電解槽が使用される。 Electrolysis of water (also called "electrolysis") is known as one of the industrial methods for producing hydrogen gas, and is generally carried out by applying an electric current to water to which an electrolyte such as sodium hydroxide or potassium hydroxide has been added to increase the electrical conductivity. For this type of water electrolysis, an electrolytic cell is used that has an anode chamber and a cathode chamber, each containing an anode and a cathode, separated by a diaphragm.
水の電気分解は、電子(又はイオン)の移動により行われる。そのため、上記隔膜には、電気分解反応が効率良く行われるために、高いイオン伝導性が必要とされる。更に、水の電気分解は、30%程度の高濃度のアルカリ水を使用して、80~100℃、場合によっては1MPa以上の高圧力下で行われるため、高いイオン伝導性を維持するためには、耐熱性、耐アルカリ性等も必要とされる。 Water electrolysis is carried out by the movement of electrons (or ions). Therefore, the membrane needs to have high ionic conductivity in order for the electrolysis reaction to be carried out efficiently. Furthermore, water electrolysis is carried out using alkaline water with a high concentration of about 30%, at 80 to 100°C, and in some cases under high pressure of 1 MPa or more, so heat resistance, alkali resistance, etc. are also required to maintain high ionic conductivity.
水の電気分解に使用される隔膜としては、非溶媒誘起相分離法(NIPS法)によって製造された多孔性膜がこれまでに種々知られている。非溶媒誘起相分離法による多孔性膜の製膜においては、溶媒と非溶媒の置換速度等により孔径等の多孔構造が影響され、たとえば、溶媒と非溶媒の置換速度を小さくすることにより、マクロボイドのような粗大な孔が多孔性膜の表面に生成し難いことが一般的に知られている。そして溶媒と非溶媒の置換速度は、多孔性膜を作成するために用いる塗料組成物へのポリビニルピロリドンや塩化リチウム等の親水性添加剤の添加や該親水性添加剤による塗料組成物の親水化や増粘等により影響されることが知られている(たとえば非特許文献1、非特許文献2)。 As a membrane used for electrolysis of water, various porous membranes manufactured by the non-solvent induced phase separation method (NIPS method) have been known so far. In the production of a porous membrane by the non-solvent induced phase separation method, the pore structure such as pore size is affected by the replacement rate of the solvent and non-solvent, and it is generally known that, for example, by reducing the replacement rate of the solvent and non-solvent, coarse pores such as macrovoids are less likely to be formed on the surface of the porous membrane. It is also known that the replacement rate of the solvent and non-solvent is affected by the addition of hydrophilic additives such as polyvinylpyrrolidone and lithium chloride to the coating composition used to create the porous membrane, and by the hydrophilization and thickening of the coating composition by the hydrophilic additives (for example, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2).
また、水の電気分解に用いられる隔膜においては、隔膜のイオン伝導性を高いものとするために、樹脂からなる隔膜中に無機粒子を含有させることが知られている(たとえば、特許文献1、特許文献2)。 It is also known that in membranes used in water electrolysis, inorganic particles are contained in the resin membrane to increase the ionic conductivity of the membrane (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
本発明者らの検討によれば、無機粒子を配合した多孔質層を有する隔膜はイオン伝導性に優れるものの、該多孔質層を有する隔膜をアルカリ水電解用隔膜として使用すると、イオン伝導性が経時的に変動し易いという問題があった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、熱アルカリ中におけるイオン伝導性の安定性に優れるアルカリ水電解用隔膜を提供することを目的とする。
According to studies by the present inventors, a diaphragm having a porous layer containing inorganic particles has excellent ionic conductivity, but when the diaphragm having the porous layer is used as a diaphragm for alkaline water electrolysis, there is a problem in that the ionic conductivity is likely to vary over time.
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a diaphragm for alkaline water electrolysis having excellent stability of ion conductivity in hot alkali.
本発明者は、無機粒子を含有する多孔質層を有する隔膜について検討した結果、イオン伝導性の安定性には多孔質層に含まれるマクロボイドの大きさと含有量が深く関与していることを見いだした。さらに隔膜における多孔構造の指標として単位膜厚あたりのガス透過性もイオン伝導性の安定性に影響することを知見した。そして、多孔質層を形成するための無機粒子を含む組成物として、特定の粘度特性を有する組成物を用いることにより、マクロボイドの生成、成長が抑制され、多孔構造が制御された多孔質層を有する隔膜が得られ、得られた隔膜は、イオン伝導性の安定性に優れるものとなることを見いだし、本発明を完成した。 As a result of investigating a diaphragm having a porous layer containing inorganic particles, the inventors found that the size and content of macrovoids contained in the porous layer are deeply related to the stability of ion conductivity. Furthermore, they found that gas permeability per unit thickness, as an index of the porous structure in the diaphragm, also affects the stability of ion conductivity. They then found that by using a composition having specific viscosity characteristics as a composition containing inorganic particles for forming the porous layer, the generation and growth of macrovoids is suppressed, and a diaphragm having a porous layer with a controlled pore structure is obtained, and the obtained diaphragm has excellent stability of ion conductivity, thus completing the present invention.
すなわち、本発明のアルカリ水電解用隔膜は、有機ポリマーおよび無機粒子を含む多孔質層を有するアルカリ水電解用隔膜であって、
該多孔質層は、該隔膜の少なくとも一方の表面を構成する層であり、該多孔質層の厚み方向の断面における、長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率が40%以下であり、
下記式(1)で表されるXが0.6以上である
ことを特徴とするアルカリ水電解用隔膜である。
X=隔膜の透気度(秒)/隔膜の膜厚(μm) (1)
That is, the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is a diaphragm for alkaline water electrolysis having a porous layer containing an organic polymer and inorganic particles,
the porous layer is a layer that constitutes at least one surface of the diaphragm, and the content of macrovoids having a major axis of 30 µm or more in a cross section in the thickness direction of the porous layer is 40% or less,
The diaphragm for alkaline water electrolysis is characterized in that X represented by the following formula (1) is 0.6 or more:
X = membrane air permeability (sec) / membrane thickness (μm) (1)
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、熱アルカリ中におけるイオン伝導性の安定性に優れる。そのため、アルカリ水電解装置に本発明のアルカリ水電解用隔膜を用いれば、長期間安定して高純度の水素ガスを製造することができる。 The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention has excellent stability of ionic conductivity in hot alkali. Therefore, by using the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention in an alkaline water electrolysis apparatus, high-purity hydrogen gas can be produced stably for a long period of time.
以下、本発明を詳細に説明する。
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。
The present invention will be described in detail below.
In addition, a combination of two or more of the individual preferred embodiments of the present invention described below is also a preferred embodiment of the present invention.
1.アルカリ水電解用隔膜
本発明の実施形態1である、アルカリ水電解用隔膜について説明する。
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、有機ポリマーおよび無機粒子を含む多孔質層を有するアルカリ水電解用隔膜であって、
該多孔質層は、該隔膜の少なくとも一方の表面を構成する層であり、該多孔質層の厚み方向の断面における、長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率が40%以下であり、
下記式(1)で表されるXが0.6以上である
ことを特徴とする。
X=隔膜の透気度(秒)/隔膜の膜厚(μm) (1)
なお、本明細書において、有機ポリマーおよび無機粒子を含む多孔質層を単に多孔質層ともいう。
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、その少なくとも一方の表面を構成する層として、有機ポリマーおよび無機粒子を含む多孔質層を含む。すなわち、本発明のアルカリ水電解用隔膜を構成する多孔質層は、該隔膜の少なくとも一方の表面を構成する層である。該多孔質層を有することにより、多くの電解液を含浸することができ、イオン透過性が発揮される。
1. Diaphragm for alkaline water electrolysis A diaphragm for alkaline water electrolysis, which is a first embodiment of the present invention, will be described.
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is a diaphragm for alkaline water electrolysis having a porous layer containing an organic polymer and inorganic particles,
the porous layer is a layer that constitutes at least one surface of the diaphragm, and the content of macrovoids having a major axis of 30 µm or more in a cross section in the thickness direction of the porous layer is 40% or less,
The present invention is characterized in that X represented by the following formula (1) is 0.6 or more.
X = membrane air permeability (sec) / membrane thickness (μm) (1)
In this specification, a porous layer containing an organic polymer and inorganic particles is also simply referred to as a porous layer.
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention comprises a porous layer comprising an organic polymer and inorganic particles as a layer constituting at least one of its surfaces. That is, the porous layer constituting the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is a layer constituting at least one of the surfaces of the diaphragm. The presence of the porous layer allows the diaphragm to be impregnated with a large amount of electrolytic solution and exhibits ion permeability.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、上記多孔質層のみから構成されていてもよいが、さらに多孔性支持体を含んでいてもよい。上記多孔性支持体を更に含むことにより、上記多孔質層の強度が向上し、アルカリ水電解用隔膜の強度を向上させることができ、電解中のイオン透過膜の破損等を抑制することができる。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。 The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention may be composed only of the porous layer, or may further include a porous support. By further including the porous support, the strength of the porous layer is improved, the strength of the diaphragm for alkaline water electrolysis can be improved, and damage to the ion permeable membrane during electrolysis, etc. can be suppressed. The porous support is preferably a sheet-like member.
本発明のアルカリ水電解用隔膜が多孔性支持体を含む場合、該多孔質層が該隔膜の少なくとも一方の表面を構成する形態である限り、その形態は特に限定されない。たとえば、上記アルカリ水電解用隔膜の構成としては、多孔質層が多孔性支持体の一方の面に積層されている形態(1)、多孔質層が多孔性支持体の両方の面上に積層されている形態(2)が好ましい実施形態としてあげられる。 When the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention includes a porous support, the form is not particularly limited as long as the porous layer constitutes at least one surface of the diaphragm. For example, preferred embodiments of the configuration of the diaphragm for alkaline water electrolysis include a form in which the porous layer is laminated on one surface of the porous support (1) and a form in which the porous layer is laminated on both surfaces of the porous support (2).
さらに、形態(1)であって、多孔質層を構成する有機ポリマーおよび無機粒子と同様の有機ポリマーおよび/または無機粒子が、多孔性支持体の内部の一部または全部に含まれる形態(1a)も好ましい実施形態である。
同様に、形態(2)であって、少なくとも一方の多孔質層を構成する有機ポリマーおよび無機粒子と同様の有機ポリマーおよび/または無機粒子が、多孔性支持体の内部の一部または全部に含まれる形態(2a)も好ましい実施形態である。
Furthermore, form (1a) is also a preferred embodiment of form (1), in which an organic polymer and/or inorganic particles similar to the organic polymer and inorganic particles constituting the porous layer are contained in part or all of the interior of the porous support.
Similarly, form (2a) is also a preferred embodiment, in which an organic polymer and/or inorganic particles similar to the organic polymer and inorganic particles constituting at least one of the porous layers are contained in part or all of the interior of the porous support.
上記形態(1a)の中でも、多孔性支持体の一方の面に、上記多孔質層を有し、且つ多孔質層と多孔性支持体との界面より多孔性支持体の内部の一部または全部に、多孔質層を構成する材料と同様の成分が含侵してなる層(含侵層)を有する形態(1b)が好ましい実施形態としてあげられる。
同様に、上記形態(2a)の中でも、多孔性支持体の両方の面に、上記多孔質層を有し、且つ多孔質層と多孔性支持体との界面より多孔性支持体の内部の一部または全部に、少なくとも一方の多孔質層を構成する材料と同様の成分が含侵してなる層(含侵層)を有する形態(2b)があげられる。
Among the above-mentioned form (1a), a preferred embodiment is form (1b), in which the porous layer is provided on one surface of the porous support, and a layer (impregnated layer) is provided in which the same component as the material constituting the porous layer is impregnated into a part or the whole of the inside of the porous support from the interface between the porous layer and the porous support.
Similarly, among the above-mentioned form (2a), there is also a form (2b) in which the above-mentioned porous layers are provided on both sides of the porous support, and a layer (impregnated layer) is provided in a part or all of the interior of the porous support from the interface between the porous layers and the porous support, the layer being impregnated with the same component as the material constituting at least one of the porous layers.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、なかでも、隔膜の強度がより一層高くなる点で、上記形態(1a)、(1b)、(2a)または(2b)が好ましく、中でも形態(1b)または(2b)がより好ましく、形態(1b)がさらに好ましい。 The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is preferably the above-mentioned form (1a), (1b), (2a) or (2b) in that the strength of the diaphragm is further increased, and among these, form (1b) or (2b) is more preferable, and form (1b) is even more preferable.
上述したように本発明のアルカリ水電解用隔膜は、その表面層を構成する少なくとも一つの多孔質層は、多孔質層の厚み方向の断面における、長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率が40%以下である。「多孔質層の厚み方向の断面における、長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率が40%以下である」との条件を条件(Y)ともいう。また、長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率を、単にマクロボイド含有率ということもある。 As described above, in the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, at least one porous layer constituting the surface layer has a content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more in a cross section in the thickness direction of the porous layer of 40% or less. The condition that "the content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more in a cross section in the thickness direction of the porous layer is 40% or less" is also referred to as condition (Y). The content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more is sometimes simply referred to as the macrovoid content.
本発明のアルカリ水電解用隔膜が多孔性支持体を含む場合において、その形態によらず、本発明のアルカリ水電解用隔膜の表面を構成する多孔質層の少なくとも1つは条件(Y)を満足する。本発明のアルカリ水電解用隔膜の表面を構成する多孔質層が両面にある場合は、いずれの多孔質層も条件(Y)を満足することが好ましい。 When the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention includes a porous support, at least one of the porous layers constituting the surface of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention satisfies condition (Y), regardless of the form of the support. When the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention has porous layers constituting the surface of the diaphragm for alkaline water electrolysis on both sides, it is preferable that both of the porous layers satisfy condition (Y).
本発明において、マクロボイドとは、長径が10μm以上、短径が5μm以上であるボイドを意味する。長径および短径は以下のようにして決定する。
すなわち、本発明のアルカリ水電解用隔膜における厚み方向、すなわち、隔膜の表面に対して垂直方向に切断した隔膜断面を、電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)で観察し、測定対象とする多孔質層の断面観察画像を得る。電界放出型走査電子顕微鏡による撮影倍率は特に限定されないが、マクロボイドの大きさ等を勘案すれば、100~2000倍であることが好ましく、200~1000倍であることがより好ましい。
In the present invention, the macrovoid means a void having a major axis of 10 μm or more and a minor axis of 5 μm or more. The major axis and minor axis are determined as follows.
That is, a cross section of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention cut in the thickness direction, i.e., in the direction perpendicular to the surface of the diaphragm, is observed with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) to obtain a cross-sectional image of the porous layer to be measured. The imaging magnification using the field emission scanning electron microscope is not particularly limited, but taking into consideration the size of the macrovoids, etc., it is preferably 100 to 2000 times, and more preferably 200 to 1000 times.
上記長径および短径は、得られた断面観察画像において観察されるボイド像より、厚み方向長さ(Lt)および面方向長さ(Lf)を求め、(Lt)および(Lf)の内、大きい方を長径,小さい方を短径とする。 The above long and short diameters are determined by determining the thickness direction length (Lt) and the plane direction length (Lf) from the void image observed in the obtained cross-sectional observation image, and the larger of (Lt) and (Lf) is defined as the long diameter and the smaller is defined as the short diameter.
厚み方向長さ(Lt)は、隔膜の厚み方向、すなわち、隔膜の表面に対して垂直方向における長さであり、具体的には、ボイドにおける隔膜(多孔質膜)表面に最も近い点と、その反対側の表面に最も近い点との、隔膜の厚み方向(隔膜の表面に対して垂直方法)における距離を該ボイドの厚み方向長さ(Lt)とする。該ボイドの面積(S)を厚み方向長さ(Lt)で除した値を該ボイドの面方向長さ(Lf)とする。このようにして求めた(Lt),(Lf)の内、大きい方を該ボイドの長径(Lb),小さい方を短径(Ls)とする。 The thickness direction length (Lt) is the length in the thickness direction of the membrane, i.e., the direction perpendicular to the membrane surface. Specifically, the distance in the thickness direction of the membrane (perpendicular to the membrane surface) between the point in the void closest to the membrane (porous membrane) surface and the point closest to the opposite surface is defined as the thickness direction length (Lt) of the void. The area (S) of the void divided by the thickness direction length (Lt) is defined as the planar length (Lf) of the void. The larger of the values (Lt) and (Lf) thus determined is defined as the major axis (Lb) of the void, and the smaller is defined as the minor axis (Ls).
上記ボイドにおける厚み方向長さ(Lt)、面積(S)は、上記断面観察画像を、画像解析ソフト(例えば、Scion Image、Scion社製)を用いて、ボイド部分を暗部として抽出し、求めることができる。 The thickness direction length (Lt) and area (S) of the void can be determined by extracting the void portion as a dark area from the cross-sectional observation image using image analysis software (e.g., Scion Image, manufactured by Scion, Inc.).
このようにして求めた長径が10μm以上、短径が5μm以上のボイドをマクロボイドというが、本発明のアルカリ水電解用隔膜においては、その表面層を構成する少なくとも一つの多孔質層が、長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率が40%以下であることが重要である。 The voids thus determined, whose major axis is 10 μm or more and whose minor axis is 5 μm or more, are called macrovoids. It is important that in the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, at least one of the porous layers constituting the surface layer has a content of macrovoids whose major axis is 30 μm or more of 40% or less.
上記マクロボイド含有率は、上記断面観察画像における、多孔質層の面積に対する長径が30μm以上であるマクロボイドの合計面積の割合(百分率)を意味する。通常、上記断面観察画像において、隔膜(多孔質膜)の厚み方向における多孔質層の厚み(全厚み)と、隔膜(多孔質層)の面方向における長さ400μmの線分で囲まれた領域を測定領域とする。 The macrovoid content refers to the ratio (percentage) of the total area of macrovoids with a major axis of 30 μm or more to the area of the porous layer in the cross-sectional observation image. Typically, the measurement area in the cross-sectional observation image is the area enclosed by the thickness (total thickness) of the porous layer in the thickness direction of the membrane (porous membrane) and a line segment 400 μm long in the surface direction of the membrane (porous layer).
そして、上記測定領域において、画像解析ソフト(例えば、Scion Image、Scion社製)を用いて、長径が30μm以上であるマクロボイドの総面積(すなわち、該マクロボイドの個々の面積の合計)(Sy)および上記測定領域の面積(St)を求め、(St)に対する(Sy)の割合(百分率)を求め、得られた値を、長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率とする。 Then, using image analysis software (e.g., Scion Image, manufactured by Scion), the total area (Sy) of macrovoids whose major axis is 30 μm or more (i.e., the sum of the individual areas of the macrovoids) and the area (St) of the measurement region are determined, and the ratio (percentage) of (Sy) to (St) is calculated, and the obtained value is regarded as the content of macrovoids whose major axis is 30 μm or more.
本発明のアルカリ水電解用隔膜における多孔質層は、上述のようにして求めた長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率が40%以下である。本発明のアルカリ水電解用隔膜が、さらに引張強度等の強度特性にも優れる観点から、上記マクロボイド含有率が35%以下であることが好ましく、より好ましくは30%以下であり、さらに好ましくは25%以下である。 The porous layer in the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention has a content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more, determined as described above, of 40% or less. From the viewpoint of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention also having excellent strength properties such as tensile strength, the macrovoid content is preferably 35% or less, more preferably 30% or less, and even more preferably 25% or less.
また同様の理由から、同様にして求めた長径が20μm以上であるマクロボイドの含有率が40%以下であることが好ましい。より好ましくは35%以下であり、さらに好ましくは30%以下であり、最も好ましくは25%以下である。 For the same reason, it is preferable that the content of macrovoids having a major axis of 20 μm or more, determined in the same manner, is 40% or less. More preferably, it is 35% or less, even more preferably, it is 30% or less, and most preferably, it is 25% or less.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、下記式(1)で表されるXが0.6以上である。
X=隔膜の透気度(秒)/隔膜の膜厚(μm) (1)
式(1)において、隔膜の透気度は、隔膜の透気度を意味する。透気度は従来公知の測定方法により求めることができ、市販の測定装置を用いて測定した値を採用することができる。測定時に用いるガスは空気である。たとえば、王研式透気度試験機(旭精工社製、型番:EGBO)を用いて透気度を測定し、その測定値を本発明のアルカリ水電解用隔膜の透気度とすることができる。一試料について、複数箇所、たとえば3点を任意に選んで測定し、その平均値を透気度とすることが好ましい。
In the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, X represented by the following formula (1) is 0.6 or more:
X = membrane air permeability (sec) / membrane thickness (μm) (1)
In formula (1), the air permeability of the diaphragm means the air permeability of the diaphragm. The air permeability can be determined by a conventionally known measurement method, and a value measured using a commercially available measurement device can be adopted. The gas used during measurement is air. For example, the air permeability can be measured using an Oken air permeability tester (manufactured by Asahi Seiko Co., Ltd., model number: EGBO), and the measured value can be used as the air permeability of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention. It is preferable to measure multiple points, for example three points, arbitrarily selected for one sample, and use the average value of the measurements as the air permeability.
式(1)における、隔膜の膜厚は、本発明のアルカリ水電解用隔膜の厚みを意味する。測定方法はマイクロメーターにより測定した値を採用する。通常、複数箇所、たとえば10点を任意に選んで測定し、その平均値を、隔膜の膜厚とすることが好ましい。マイクロメーターとしては市販品、たとえば、デジマチックマイクロメーター(ミツトヨ社製)を用いることが好ましい。 In formula (1), the thickness of the diaphragm means the thickness of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention. The measurement method is a value measured with a micrometer. Usually, it is preferable to measure at multiple locations, for example, 10 locations, and use the average value as the thickness of the diaphragm. As the micrometer, it is preferable to use a commercially available product, for example, a Digimatic Micrometer (manufactured by Mitutoyo Corporation).
上記の測定方法により測定した、本発明のアルカリ水電解用隔膜の透気度(秒)、膜厚(μm)を用いて、Xを求めることができる。Xは、0.65以上であることがより好ましく、0.70以上であることがさらに好ましく、0.75以上であることが特に好ましい。一方、Xの上限は特に限定されないが、4.00以下であることが好ましく、3.50以下であることがより好ましい。 X can be determined using the air permeability (seconds) and membrane thickness (μm) of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention measured by the above-mentioned measurement method. X is more preferably 0.65 or more, even more preferably 0.70 or more, and particularly preferably 0.75 or more. On the other hand, the upper limit of X is not particularly limited, but is preferably 4.00 or less, and more preferably 3.50 or less.
本発明のアルカリ水電解用隔膜について、上記マクロボイド含有率および上記Xを求めるための透気度、膜厚を測定するにあたり、該隔膜の任意の部分を測定試料とすることができるが、隔膜がシート状である場合、シートの中心をその中心とし、シートの面方向の全面積の80%となる面積の円を描いた時、該円の範囲内より、測定部位を選択する(測定試料を得る)ことが好ましい。 When measuring the macrovoid content and the air permeability and membrane thickness for determining the above-mentioned X for the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, any part of the diaphragm can be used as a measurement sample. However, when the diaphragm is in a sheet form, it is preferable to select a measurement site (to obtain a measurement sample) within the range of a circle drawn around the center of the sheet and having an area that is 80% of the total area of the sheet in the plane direction.
該選択部位としては1か所であってもよいが、3か所以上が好ましく、5か所が好ましい。そして、選択した各箇所について、上記マクロボイドの含有率、Xをそれぞれ測定し、それぞれの単純平均値を該隔膜における、マクロボイド含有率、Xとすることが好ましい。 The selected portion may be one location, but three or more locations are preferable, and five locations are more preferable. The macrovoid content, X, is then measured for each selected location, and the simple average value is preferably taken as the macrovoid content, X, in the diaphragm.
上記多孔質層は、有機ポリマー、及び、無機粒子を含む。
上記有機ポリマーとしては、フッ素系樹脂、オレフィン系樹脂、芳香族炭化水素系樹脂等が挙げられる。
The porous layer comprises an organic polymer and inorganic particles.
Examples of the organic polymer include fluorine-based resins, olefin-based resins, and aromatic hydrocarbon-based resins.
上記フッ素系樹脂としては、例えば、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン-フッ化ビニリデン共重合体等が挙げられる。
上記オレフィン系樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン等が挙げられる。
上記芳香族炭化水素系樹脂としては、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。
Examples of the fluorine-based resin include ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polyvinylidene fluoride, polyvinyl fluoride, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, polychlorotrifluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymer, and the like.
Examples of the olefin resin include polyethylene, polypropylene, polybutene, and polymethylpentene.
Examples of the aromatic hydrocarbon resin include polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polybutylene naphthalate, polystyrene, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylene sulfide, polyphenylsulfone, polyarylate, polyetherimide, polyimide, and polyamideimide.
なかでも、上記有機ポリマーは、耐熱性、耐圧性や耐アルカリ性に優れる点で、芳香族炭化水素系樹脂であることが好ましく、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種がより好ましく、隔膜を容易に製造することができる点で、ポリスルホンがさらに好ましい。上記有機ポリマーは、1種のみ使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。 Among them, the organic polymer is preferably an aromatic hydrocarbon resin in that it has excellent heat resistance, pressure resistance, and alkali resistance, and more preferably at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, and polyphenylsulfone, and further preferably polysulfone in that the diaphragm can be easily manufactured. The organic polymer may be used alone or in combination of two or more kinds.
上記有機ポリマーの含有量は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中5~40質量%であることが好ましい。上記有機ポリマーの含有量が上述の範囲であると、アルカリ溶液中での隔膜からの無機成分の溶出が抑制できる。上記有機ポリマーの含有量は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中7質量%以上であることがより好ましく、10質量%以上であることが更に好ましく、35質量%以下であることがより好ましく、30質量%以下であることが更に好ましい。 The content of the organic polymer is preferably 5 to 40 mass% relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis. When the content of the organic polymer is within the above range, elution of inorganic components from the diaphragm in an alkaline solution can be suppressed. The content of the organic polymer is more preferably 7 mass% or more relative to 10 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis, more preferably 10 mass% or more, more preferably 35 mass% or less, and even more preferably 30 mass% or less.
上記有機ポリマーの含有量は、アルカリ水電解用隔膜が後述する多孔性支持体を含まない場合、アルカリ水電解用隔膜100質量%中28~40質量%であることが好ましい。上記有機ポリマーの含有量が上述の範囲であると、上記有機ポリマーによって制御されたボイド構造を隔膜内に形成しやすくなる。上記有機ポリマーの含有量は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中、31質量%以上であることがより好ましく、38質量%以下であることがより好ましく、36質量%以下であることが更に好ましい。 When the diaphragm for alkaline water electrolysis does not contain a porous support described below, the content of the organic polymer is preferably 28 to 40 mass% relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis. When the content of the organic polymer is within the above range, a void structure controlled by the organic polymer is easily formed in the diaphragm. The content of the organic polymer is more preferably 31 mass% or more, more preferably 38 mass% or less, and even more preferably 36 mass% or less, relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis.
また、上記有機ポリマーの含有量は、アルカリ水電解用隔膜が後述する多孔性支持体を含む場合、アルカリ水電解用隔膜100質量%中5~35質量%であることが好ましい。上記有機ポリマーの含有量が上述の範囲であると、上記有機ポリマーによって制御されたボイド構造を隔膜内に形成しやすくなる。上記有機ポリマーの含有量は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中、8質量%以上であることがより好ましく、12質量%以上であることが更に好ましく、17質量%以上であることが更により好ましく、また、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、23質量%以下であることが更により好ましく、21質量%以下であることが特に好ましい。 When the diaphragm for alkaline water electrolysis contains a porous support described below, the content of the organic polymer is preferably 5 to 35 mass% relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis. When the content of the organic polymer is within the above range, a void structure controlled by the organic polymer is easily formed in the diaphragm. The content of the organic polymer is more preferably 8 mass% or more, even more preferably 12 mass% or more, even more preferably 17 mass% or more, and more preferably 30 mass% or less, even more preferably 25 mass% or less, even more preferably 23 mass% or less, and particularly preferably 21 mass% or less, relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis.
上記無機粒子としては、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、タンタル等の金属水酸化物又は金属酸化物;カルシウム、バリウム、鉛、ストロンチウム等の硫酸塩;チタン、ジルコニウム、ハフニウム等の窒化物;チタン、ジルコニウム、ハフニウム等の炭化物等が挙げられる。上記無機粒子は、1種のみ含んでいてもよいし、2種以上含んでもよい。
なかでも、イオン透過性を向上させることができる点で、金属水酸化物又は金属酸化物が好ましく、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、酸化チタンがより好ましく、水酸化マグネシウム、水酸化ジルコニウム、水酸化チタン、酸化チタンが更に好ましく、水酸化マグネシウム、水酸化ジルコニウム、水酸化チタンがより更に好ましく、水酸化マグネシウムが特に好ましい。
Examples of the inorganic particles include metal hydroxides or oxides such as magnesium, zirconium, titanium, zinc, aluminum, and tantalum, sulfates such as calcium, barium, lead, and strontium, nitrides such as titanium, zirconium, and hafnium, and carbides such as titanium, zirconium, and hafnium. The inorganic particles may contain only one type, or two or more types.
Among these, from the viewpoint of improving ion permeability, metal hydroxides or metal oxides are preferred, magnesium hydroxide, zirconium hydroxide, titanium hydroxide, zirconium oxide and titanium oxide are more preferred, magnesium hydroxide, zirconium hydroxide, titanium hydroxide and titanium oxide are even more preferred, magnesium hydroxide, zirconium hydroxide and titanium hydroxide are even more preferred, and magnesium hydroxide is particularly preferred.
上記無機粒子は、表面が未処理のものであっても、表面処理されたものであってもよい。上記表面処理としては、シランカップリング剤、ステアリン酸、オレイン酸、リン酸エステル等を用いた公知の表面処理が挙げられる。 The inorganic particles may be surface-untreated or surface-treated. Examples of the surface treatment include known surface treatments using silane coupling agents, stearic acid, oleic acid, phosphoric acid esters, etc.
上記無機粒子の形状は、特に制限されず、不定形状;粒状;顆粒状;薄片状、六角板状等の板状;繊維状等のいずれの形状であってもよい。なかでも、なかでも、樹脂との密着性が優れる点で、上記無機粒子の形状は、粒状、板状であることが好ましく、板状であることがより好ましく、薄片状であることが更に好ましい。また構造が緻密になり、隔膜強度を向上させることができる点で、上記無機粒子の形状は、板状であることが好ましく、薄片状であることがより好ましい。 The shape of the inorganic particles is not particularly limited, and may be any of the following shapes: amorphous; granular; granular; plate-like (e.g., flake-like, hexagonal plate-like); fibrous, etc. Among these, in terms of excellent adhesion to the resin, the shape of the inorganic particles is preferably granular or plate-like, more preferably plate-like, and even more preferably flake-like. Furthermore, in terms of a dense structure and improved membrane strength, the shape of the inorganic particles is preferably plate-like, and more preferably flake-like.
上記無機粒子は、構造が緻密になり、隔膜の強度を向上させることができる点で、平均粒子径が0.05μm以上であることが好ましく、2.0μm以下であることが好ましい。上記無機粒子の平均粒子径は、0.08μm以上であることがより好ましく、0.1μm以上であることが更に好ましく、1.5μm以下であることがより好ましく、1μm以下であることが更に好ましい。 The inorganic particles preferably have an average particle size of 0.05 μm or more and 2.0 μm or less, since this provides a dense structure and improves the strength of the membrane. The average particle size of the inorganic particles is more preferably 0.08 μm or more, even more preferably 0.1 μm or more, more preferably 1.5 μm or less, and even more preferably 1 μm or less.
上記平均粒子径は、レーザー回折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。具体的には、平均粒子径はレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(例えば、堀場製作所社製「型番LA-920」)を用いて粒度分布を測定し、体積基準の粒度分布におけるメジアン径(D50)を平均粒子径とする。なお、粒子をエタノールに混合し超音波照射して分散させたものを測定試料とする。 The above average particle size is the volume average particle size (D50) determined by particle size distribution measurement using a laser diffraction method. Specifically, the average particle size is determined by measuring the particle size distribution using a laser diffraction/scattering particle size distribution measuring device (for example, Model LA-920 manufactured by Horiba, Ltd.), and the median diameter (D50) in the volume-based particle size distribution is taken as the average particle size. Note that the particles are mixed in ethanol and dispersed by ultrasonic irradiation to prepare the measurement sample.
上記無機粒子は、アスペクト比が2.0~8.0であることが好ましい。アスペクト比が上述の範囲であると、イオン透過性がより一層優れ、均一性に優れた隔膜とすることができる。上記アスペクト比は、2.5~7.0であることがより好ましく、3.0~6.0であることが更に好ましい。 The inorganic particles preferably have an aspect ratio of 2.0 to 8.0. When the aspect ratio is within the above range, the diaphragm has even better ion permeability and excellent uniformity. The aspect ratio is more preferably 2.5 to 7.0, and even more preferably 3.0 to 6.0.
上記アスペクト比とは、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。通常、最長径(a)の中点を通って最長径と直交する径のうちの最も短い径を最短径(b)とすることが好ましい。 The aspect ratio means the ratio [(a)/(b)] of the longest diameter (a) to the shortest diameter (b), and can be obtained by observing inorganic particles with a SEM, measuring the ratio [(a)/(b)] of the longest diameter (a) to the shortest diameter (b) of each particle using analysis software or the like for any 10 particles in the obtained image, and calculating the simple average of these ratios as the aspect ratio of the particle. Usually, it is preferable to use the shortest diameter (b) as the diameter that passes through the midpoint of the longest diameter (a) and is perpendicular to the longest diameter.
上記最長径(a)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、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。
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することが好ましい。
As the above-mentioned longest diameter (a), for example, when the particle has a plate-like shape such as a flaky or hexagonal plate-like shape, the longest diameter of the plate surface of the particle is used, and when the particle has a fibrous shape, the length of the fiber is used.
As the shortest diameter (b), for example, when the particle shape is a plate shape such as a flaky or hexagonal plate shape, the thickness of the particle is used, and when the particle shape is a fiber shape, the thickness of the fiber is used. As the thickness of the particle and the thickness of the fiber, it is preferable to use the thickness and thickness at the midpoint of the longest diameter a, respectively.
上記無機粒子としては、なかでも、耐アルカリ性、耐久性に特に優れ、比較的安価でアルカリ水電解用隔膜を得ることができる点で、水酸化マグネシウムが好ましい。本発明において使用することができる水酸化マグネシウムは、その平均粒子径、アスペクト比が各々、上記平均粒子径,上記アスペクト比であることが好ましい。 As the inorganic particles, magnesium hydroxide is particularly preferred because it has excellent alkali resistance and durability and can provide a diaphragm for alkaline water electrolysis at a relatively low cost. The magnesium hydroxide that can be used in the present invention preferably has the average particle size and aspect ratio described above.
上記水酸化マグネシウムは、X線回折により測定される(110)面に垂直な方向の結晶子径が35nm以上であることが好ましい。上記(110)面に垂直な方向の結晶子径が上述の範囲であると、隔膜のイオン透過性や隔膜の均一性がより一層優れる。上記(110)面に垂直な方向の結晶子径は、40nm以上であることが好ましく、50nm以上であることがより好ましく、60nm以上であることが更に好ましく、65nm以上であることが特に好ましい。上記(110)面に垂直な方向の結晶子径は、その上限値は特に限定されないが、通常は例えば400nm以下であり、好ましくは350nm以下、更に好ましくは300nm以下である。 The magnesium hydroxide preferably has a crystallite diameter of 35 nm or more in the direction perpendicular to the (110) plane as measured by X-ray diffraction. When the crystallite diameter in the direction perpendicular to the (110) plane is within the above-mentioned range, the ion permeability and uniformity of the diaphragm are even better. The crystallite diameter in the direction perpendicular to the (110) plane is preferably 40 nm or more, more preferably 50 nm or more, even more preferably 60 nm or more, and particularly preferably 65 nm or more. The upper limit of the crystallite diameter in the direction perpendicular to the (110) plane is not particularly limited, but is usually, for example, 400 nm or less, preferably 350 nm or less, and more preferably 300 nm or less.
また上記水酸化マグネシウムは、X線回折により測定される(001)面に垂直な方向の結晶子径が15nm以上であることが好ましい。
上記(001)面に垂直な方向の結晶子径は、18nm以上であることがより好ましく、21nm以上であることが更に好ましく、24nm以上であることが特に好ましい。上記(001)面に垂直な方向の結晶子径は、その上限値は特に限定されないが、通常は例えば300nm以下であり、好ましくは250nm以下、更に好ましくは200nm以下である。上記結晶子径は、粉末X線回折法により水酸化マグネシウム粒子のX線回折パターンを測定し、対象の格子面に帰属される回折線の広がり(半値幅)から、Scherrerの式を用いて結晶子径(上記格子面に垂直方向の結晶子径)を算出して求めることができる。
The magnesium hydroxide preferably has a crystallite size of 15 nm or more in a direction perpendicular to the (001) plane as measured by X-ray diffraction.
The crystallite diameter in the direction perpendicular to the (001) plane is more preferably 18 nm or more, even more preferably 21 nm or more, and particularly preferably 24 nm or more. The upper limit of the crystallite diameter in the direction perpendicular to the (001) plane is not particularly limited, but is usually, for example, 300 nm or less, preferably 250 nm or less, and more preferably 200 nm or less. The crystallite diameter can be obtained by measuring the X-ray diffraction pattern of magnesium hydroxide particles by powder X-ray diffraction method, and calculating the crystallite diameter (crystallite diameter perpendicular to the lattice plane) using Scherrer's formula from the spread (half-width) of the diffraction line assigned to the target lattice plane.
上述した特定の結晶子径範囲の水酸化マグネシウムを得るための方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。
マグネシウム塩(塩化マグネシウム、硝酸マグネシウム等)の水溶液、又は、従来公知の方法で得られた酸化マグネシウムの水分散液を原料とし、アルカリ性物性(水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、アンモニア水等)の添加により、水和反応を行うことで水酸化マグネシウムを調製する。この際に、蟻酸、酢酸、プロピオン酸等の有機酸、硝酸、硫酸等の多塩基酸、又は、これらの混合物の添加により、生成した水酸化マグネシウムの溶解度を調整したり、水熱反応の温度(例えば150℃から270℃)や時間(例えば30分~10時間)を適宜調整したりすることにより、結晶子径の異なる粒子を調製できる。酸の添加量が多い方が結晶成長は進み、結晶子径が大きくなる。また、水熱反応の温度は高い方が、時間は長い方が、結晶成長が進み、結晶子径は大きくなる。
As a method for obtaining magnesium hydroxide having the above-mentioned specific crystallite size range, for example, the following method can be mentioned.
Magnesium hydroxide is prepared by hydration reaction using an aqueous solution of magnesium salt (magnesium chloride, magnesium nitrate, etc.) or an aqueous dispersion of magnesium oxide obtained by a conventional method as a raw material and adding an alkaline material (lithium hydroxide, sodium hydroxide, calcium hydroxide, ammonia water, etc.). At this time, by adding an organic acid such as formic acid, acetic acid, propionic acid, etc., a polybasic acid such as nitric acid, sulfuric acid, or a mixture thereof, the solubility of the generated magnesium hydroxide can be adjusted, or by appropriately adjusting the temperature (e.g., 150°C to 270°C) and time (e.g., 30 minutes to 10 hours) of the hydrothermal reaction, particles with different crystallite sizes can be prepared. The more the amount of acid added, the more the crystal growth advances and the larger the crystallite size. Also, the higher the temperature of the hydrothermal reaction and the longer the time, the more the crystal growth advances and the larger the crystallite size.
本発明においては、無機粒子として、一般的な市販品を使用することもできる。例えば、本発明において使用することができる水酸化マグネシウムの市販品としては、協和化学工業社製の200-06H、宇部マテリアル社製UP650-1、タテホ化学工業社製MAGSTAR♯20、神島化学工業社製♯200等が挙げられる。 In the present invention, general commercially available products can also be used as inorganic particles. For example, commercially available magnesium hydroxide products that can be used in the present invention include 200-06H manufactured by Kyowa Chemical Industry Co., Ltd., UP650-1 manufactured by Ube Materials Co., Ltd., MAGSTAR #20 manufactured by Tateho Chemical Industry Co., Ltd., and #200 manufactured by Konoshima Chemical Co., Ltd.
上記無機粒子の含有量は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中30~90質量%であることが好ましい。上記無機粒子の含有量が上述の範囲であると、上記アルカリ水電解用隔膜は、イオン透過性に優れたものとなる。上記無機粒子の含有量は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中35質量%以上であることがより好ましく、40質量%以上であることが更に好ましく、85質量%以下であることがより好ましく、80質量%以下であることがさらに好ましい。 The content of the inorganic particles is preferably 30 to 90 mass% relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis. When the content of the inorganic particles is within the above range, the diaphragm for alkaline water electrolysis has excellent ion permeability. The content of the inorganic particles is more preferably 35 mass% or more relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis, more preferably 40 mass% or more, more preferably 85 mass% or less, and even more preferably 80 mass% or less.
上記無機粒子の含有量は、アルカリ水電解用隔膜が後述する多孔性支持体を含まない場合、アルカリ水電解用隔膜100質量%中50~90質量%であることが好ましい。上記無機粒子の含有量が上述の範囲であると、構造を緻密にすることができ、隔膜の強度を向上させることができる。上記無機粒子の含有量は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中、85質量%以下であることがより好ましく、80質量%以下であることがさらに好ましく、55質量%以上であることがより好ましく、60質量%以上であることがさらに好ましい。 When the diaphragm for alkaline water electrolysis does not contain a porous support described below, the content of the inorganic particles is preferably 50 to 90 mass% relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis. When the content of the inorganic particles is within the above range, the structure can be made dense and the strength of the diaphragm can be improved. The content of the inorganic particles is more preferably 85 mass% or less, even more preferably 80 mass% or less, more preferably 55 mass% or more, and even more preferably 60 mass% or more relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis.
また、上記無機粒子の含有量は、アルカリ水電解用隔膜が後述する多孔性支持体を含む場合、アルカリ水電解用隔膜100質量%中30~50質量%であることが好ましい。上記無機粒子の含有量が上述の範囲であると、構造を緻密にすることができ、隔膜の強度を向上させることができる。上記無機粒子の含有量は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中、32質量%以上であることがより好ましく、34質量%以上であることが更に好ましく、また、46質量%以下であることがより好ましく、42質量%以下であることがさらに好ましく、39質量%以下であることがさらにより好ましい。 When the diaphragm for alkaline water electrolysis contains a porous support described below, the content of the inorganic particles is preferably 30 to 50 mass% relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis. When the content of the inorganic particles is within the above range, the structure can be made dense and the strength of the diaphragm can be improved. The content of the inorganic particles is more preferably 32 mass% or more, even more preferably 34 mass% or more, and more preferably 46 mass% or less, even more preferably 42 mass% or less, and even more preferably 39 mass% or less, relative to 100 mass% of the diaphragm for alkaline water electrolysis.
上記多孔質層は、上記無機粒子100質量部に対して、上記有機ポリマーを40~80質量部含むことが好ましく、45~70質量部含むことがより好ましく、45~60質量部含むことが更に好ましい。上記無機粒子と有機ポリマーの含有割合が上述の範囲であると、隔膜の強度を向上させることができ、所定範囲の質量減少率を有する隔膜が得られやすくなる。また、上記アルカリ水電解用隔膜は、上記無機粒子100質量部に対して、上記有機ポリマーを40~80質量部含むことが好ましく、45~70質量部含むことがより好ましく、45~60質量部含むことが更に好ましい。 The porous layer preferably contains 40 to 80 parts by mass, more preferably 45 to 70 parts by mass, and even more preferably 45 to 60 parts by mass of the organic polymer relative to 100 parts by mass of the inorganic particles. When the content ratio of the inorganic particles to the organic polymer is within the above-mentioned range, the strength of the diaphragm can be improved, and a diaphragm having a mass reduction rate within a predetermined range can be easily obtained. Furthermore, the diaphragm for alkaline water electrolysis preferably contains 40 to 80 parts by mass, more preferably 45 to 70 parts by mass, and even more preferably 45 to 60 parts by mass of the organic polymer relative to 100 parts by mass of the inorganic particles.
上記多孔質層の厚みは、特に限定されないが、通常、30~2000μmが好ましい。本発明のアルカリ水電解用隔膜が、多孔質層のみからなる場合、多孔質層の厚みは、30~2000μmが好ましく、100μm以上はより好ましく、200μm以上がさらに好ましい。上限は1000μm以下がより好ましく、500μm以下が更に好ましい。本発明のアルカリ水電解用隔膜が多孔性支持体を含む場合、多孔質層の厚みは、好ましくは30~1000μm、より好ましくは500μm以下、さらに好ましくは100μm以下、最も好ましくは60μm以下である。 The thickness of the porous layer is not particularly limited, but is usually preferably 30 to 2000 μm. When the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention consists of only a porous layer, the thickness of the porous layer is preferably 30 to 2000 μm, more preferably 100 μm or more, and even more preferably 200 μm or more. The upper limit is more preferably 1000 μm or less, and even more preferably 500 μm or less. When the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention includes a porous support, the thickness of the porous layer is preferably 30 to 1000 μm, more preferably 500 μm or less, even more preferably 100 μm or less, and most preferably 60 μm or less.
上記多孔質層の厚みの測定方法は特に限定されないが、本発明のアルカリ水電解用隔膜における厚み方向、すなわち、隔膜の表面に対して垂直方向に切断した隔膜断面を、電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)で観察し、得られた顕微鏡像より求めることができる。通常は、任意の複数箇所、たとえば5箇所における厚みを測定し、その平均値を、多孔質層の厚みとすることができる。 The method for measuring the thickness of the porous layer is not particularly limited, but the thickness can be determined from a microscopic image obtained by observing a cross section of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention cut in the thickness direction, i.e., perpendicular to the surface of the diaphragm, with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). Usually, the thickness is measured at any number of positions, for example, five positions, and the average value of the measurements can be used as the thickness of the porous layer.
上記アルカリ水電解用隔膜が多孔質層のみからなる場合は、本発明のアルカリ水電解用隔膜の厚みの場合と同様に、市販の測定器で測定することができる。たとえばデジマチックマイクロメーター(ミツトヨ社製)を用いて測定した値を採用することができる。任意の厚み5点以上(たとえば10点)を測定し、その平均値を多孔質層の厚みとすることができる。 When the diaphragm for alkaline water electrolysis consists of only a porous layer, the thickness can be measured using a commercially available measuring device, as in the case of the thickness of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention. For example, a value measured using a Digimatic Micrometer (manufactured by Mitutoyo Corporation) can be used. The thickness can be measured at any 5 or more points (for example, 10 points), and the average value can be used as the thickness of the porous layer.
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、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種のみ用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なかでも、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 resins such as polyethylene, polypropylene, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, polyphenylene sulfide, polyketone, polyimide, polyetherimide, and fluororesin. These may be used alone or in combination of two or more. Among them, in terms of excellent heat resistance and alkali resistance, it is preferable to include at least one resin selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polyphenylene sulfide, and it is more preferable to include at least one resin selected from the group consisting of polypropylene and polyphenylene sulfide.
上記多孔性支持体の形態としては、例えば、不織布、織布、メッシュ、多孔質膜、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、不織布、織布、又はメッシュが挙げられ、より好ましくは、不織布、メッシュが挙げられ、更に好ましくは不織布が挙げられる。 The form of the porous support may be, for example, a nonwoven fabric, a woven fabric, a mesh, a porous membrane, or a mixture of a nonwoven fabric and a woven fabric, but is preferably a nonwoven fabric, a woven fabric, or a mesh, more preferably a nonwoven fabric or a mesh, and even more preferably a nonwoven fabric.
上記多孔性支持体としては、なかでも、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、不織布、織布、又はメッシュが好ましい。更に、多孔性支持体としては、ポリフェニレンサルファイドを含む、不織布又はメッシュが好ましい。 As the porous support, a nonwoven fabric, a woven fabric, or a mesh containing at least one resin selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polyphenylene sulfide is preferable. Furthermore, as the porous support, a nonwoven fabric or a mesh containing polyphenylene sulfide is preferable.
上記多孔性支持体がシート状である場合、上記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、好ましくは30~2000μm、より好ましくは50~1000μm、更に好ましくは80~500μm、最も好ましくは80~250μm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, but is, for example, preferably 30 to 2000 μm, more preferably 50 to 1000 μm, even more preferably 80 to 500 μm, and most preferably 80 to 250 μm.
多孔性支持体の厚みは、本発明のアルカリ水電解用隔膜における厚み方向、すなわち、隔膜の表面に対して垂直方向に切断した隔膜断面を、電界放出型走査電子顕微鏡(FE-SEM)で観察し、得られた顕微鏡像より求めることができる。通常は、任意の複数箇所、たとえば5箇所における厚みを測定し、その平均値を、多孔性支持体の厚みとすることができる。 The thickness of the porous support can be determined from a microscopic image obtained by observing a cross section of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention cut in the thickness direction, i.e., perpendicular to the surface of the diaphragm, with a field emission scanning electron microscope (FE-SEM). Usually, the thickness is measured at any number of locations, for example, five locations, and the average value of the measurements can be used as the thickness of the porous support.
また、多孔性支持体を単離できる場合は、本発明のアルカリ水電解用隔膜の厚みの場合と同様に、市販の測定器で測定することができる。たとえばデジマチックマイクロメーター(ミツトヨ社製)を用いて測定した値を採用することができる。任意の5点以上(たとえば10点)を測定し、その平均値を多孔性支持体の厚みとすることができる。 In addition, when the porous support can be isolated, the thickness can be measured using a commercially available measuring device, as in the case of the thickness of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention. For example, a value measured using a Digimatic Micrometer (manufactured by Mitutoyo Corporation) can be used. Measurements can be taken at any 5 or more points (for example, 10 points), and the average value can be used as the thickness of the porous support.
本発明のアルカリ水電解用隔における透気度は、特に限定されないが、50~5000秒であることが好ましい。透気度が上述の範囲であると、ガスバリア性が良好であり、酸素ガスと水素ガスが混合するのを良好に防ぐことができる。上記透気度は、100~1000秒であることが好ましく、150~800秒であることが更に好ましい。透気度は測定用ガスとして空気を用い、上記した測定方法により求めることができる。 The air permeability of the alkaline water electrolysis separator of the present invention is not particularly limited, but is preferably 50 to 5000 seconds. When the air permeability is in the above-mentioned range, the gas barrier properties are good, and mixing of oxygen gas and hydrogen gas can be effectively prevented. The air permeability is preferably 100 to 1000 seconds, and more preferably 150 to 800 seconds. The air permeability can be determined by the above-mentioned measurement method using air as the measurement gas.
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、50~2000μmが好ましく、100~1000μmがより好ましく、100~500μmが更に好ましく、150~350μmが最も好ましい。上記厚みの測定方法は特に制限されないが、たとえばマイクロメーターにより測定した値を採用することが好ましい。通常、複数箇所、たとえば10点を任意に選んで測定し、その平均値を、隔膜の膜厚とすることが好ましい。マイクロメーターとしては市販品、たとえば、デジマチックマイクロメーター(ミツトヨ社製)を用いることが好ましい。 The thickness of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the size and handleability of the equipment used, but is preferably 50 to 2000 μm, more preferably 100 to 1000 μm, even more preferably 100 to 500 μm, and most preferably 150 to 350 μm. The method for measuring the thickness is not particularly limited, but it is preferable to use values measured with a micrometer, for example. Usually, it is preferable to measure at multiple points, for example 10 points, and to use the average value as the thickness of the diaphragm. As the micrometer, it is preferable to use a commercially available product, for example a Digimatic Micrometer (manufactured by Mitutoyo Corporation).
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、空隙率が25~80%であることが好ましく、30~75%がより好ましく、35~70%がさらに好ましい。膜全体としての空隙率が上述の範囲であると、隔膜中の空隙に電解液がより連続的に満たされるため、より高いイオン伝導性を示すものとなり易い。
上記空隙率は、下記に示す方法により測定された隔膜の実測密度値、および隔膜を構成する各成分の密度値(真密度)および組成比を用いて算出される隔膜の計算密度値より、下記式から算出できる。
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できる。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できる。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以下4桁の精密天秤を用いて測定できる。
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention preferably has a porosity of 25 to 80%, more preferably 30 to 75%, and even more preferably 35 to 70%. When the porosity of the entire membrane is within the above range, the voids in the diaphragm are more continuously filled with the electrolytic solution, and the membrane is likely to exhibit higher ion conductivity.
The porosity can be calculated from the following formula using the actual density value of the diaphragm measured by the method described below and the calculated density value of the diaphragm calculated using the density values (true density) and composition ratios of each component constituting the diaphragm.
Porosity (%) = [1 - (actual density value) / (calculated density value)] x 100
The actual density value can be calculated by measuring the mass and volume of a test piece cut out from any location of the obtained diaphragm, and dividing the mass by the volume. The volume can be calculated by measuring the longitudinal length and lateral length of the test piece using a vernier caliper, and measuring the film thickness according to the above-mentioned film thickness measurement method. The mass of the test piece can be measured using a precision balance with four decimal places for the test piece whose volume has been measured.
本発明のアルカリ水電解用隔膜のイオン伝導度は、実施例に記載の方法で算出できる。本発明のアルカリ水電解用隔膜のイオン伝導度は、100mS/cm超であることが好ましい。このようにした場合に、アルカリ水電解における電解効率をより高くできる。 The ionic conductivity of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can be calculated by the method described in the Examples. The ionic conductivity of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is preferably more than 100 mS/cm. In this case, the electrolysis efficiency in alkaline water electrolysis can be further increased.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、30℃の水中で、周波数38kHz、出力100Wで3分間の超音波処理後の隔膜成分の脱落による質量減少率が2%以下であることが好ましい。隔膜を超音波処理に供することにより、隔膜成分が一部脱落する場合がある。隔膜の強度が低いと、超音波処理により隔膜成分が脱落しやすく、また脱落する量も増大する。上記隔膜成分の脱落による質量減少率は、より好ましくは1.5%以下であり、さらに好ましくは1.2%以下であり、特に好ましくは1%以下である。 The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention preferably has a mass reduction rate due to the detachment of the diaphragm components after ultrasonic treatment in water at 30°C for 3 minutes at a frequency of 38 kHz and an output of 100 W of 2% or less. When the diaphragm is subjected to ultrasonic treatment, some of the diaphragm components may be detached. If the strength of the diaphragm is low, the diaphragm components are more likely to be detached by ultrasonic treatment, and the amount of detached components increases. The mass reduction rate due to the detachment of the diaphragm components is more preferably 1.5% or less, even more preferably 1.2% or less, and particularly preferably 1% or less.
上述した、アルカリ水電解用隔膜における、30℃の水中で、周波数38kHz、出力100Wで3分間の超音波処理前後の隔膜成分の脱落による質量減少率は、下記の式により求めることができる。
質量減少率(%)=100-(超音波処理後の隔膜質量)/(超音波処理前の隔膜質量)×100
上記超音波処理試験において、隔膜は隔膜全体が水中に浸漬した状態となるように設置する。
The mass loss rate of the above-mentioned diaphragm for alkaline water electrolysis due to dropout of diaphragm components before and after ultrasonic treatment in water at 30° C. at a frequency of 38 kHz and an output of 100 W for 3 minutes can be calculated according to the following formula:
Mass reduction rate (%)=100−(mass of diaphragm after ultrasonic treatment)/(mass of diaphragm before ultrasonic treatment)×100
In the ultrasonic treatment test, the diaphragm is placed so that the entire diaphragm is immersed in water.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、たとえば、下記に示す熱アルカリ耐久試験を行った場合の下記式で算出される膜抵抗比が、0.7以上であることが好ましく、より好ましくは0.8以上である。
膜抵抗比=(240時間後の膜抵抗)/(24時間後の膜抵抗)
(熱アルカリ耐久試験)
本発明のアルカリ水電解用隔膜を3cm角に切り出し、これを試験片とする。該試験片2枚を、フッ素樹脂容器(PFA製)に入れ、30gの30%KOH水溶液に浸漬し、90℃で保持する。浸漬24時間後と240時間後の試験片を取り出し、室温にて膜抵抗を測定する。
膜抵抗は、実施例に記載の方法で測定することができる。
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention preferably has a membrane resistance ratio calculated by the following formula when subjected to the hot alkaline durability test described below, of 0.7 or more, and more preferably 0.8 or more.
Membrane resistance ratio=(membrane resistance after 240 hours)/(membrane resistance after 24 hours)
(Hot alkali durability test)
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention was cut into a 3 cm square to prepare a test piece. Two of the test pieces were placed in a fluororesin container (made of PFA) and immersed in 30 g of a 30% KOH aqueous solution at 90° C. The test pieces were removed after 24 hours and 240 hours of immersion, and the membrane resistance was measured at room temperature.
The membrane resistance can be measured by the method described in the Examples.
本発明のアルカリ水電解用隔膜は上記構成よりなるため、熱アルカリ水中におけるイオン伝導性の安定性に優れるものとなる。そのため、アルカリ性水溶液を電解液とした水の電気分解装置の隔膜に本発明のアルカリ水電解用隔膜を用いることにより、長期間安定して高純度の水素ガスを製造することができる。 The alkaline water electrolysis diaphragm of the present invention has the above-mentioned configuration, and therefore has excellent stability of ion conductivity in hot alkaline water. Therefore, by using the alkaline water electrolysis diaphragm of the present invention as a diaphragm in a water electrolysis device using an alkaline aqueous solution as the electrolyte, high-purity hydrogen gas can be produced stably for a long period of time.
本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法は、特に制限されないが、好ましい製造方法としては、たとえば、後述する製造方法(1)(実施形態3)、あるいは製造方法(2)(実施形態4)があげられる。 The method for producing the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is not particularly limited, but preferred methods include, for example, production method (1) (embodiment 3) or production method (2) (embodiment 4) described below.
2.アルカリ水電解用隔膜用の組成物
本発明における好ましい一実施形態(実施形態2)である、アルカリ水電解用隔膜用の組成物について説明する。実施形態2にかかる、上記組成物を本発明の組成物(i)あるいは単に組成物(i)とも称する。
2. Composition for diaphragm for alkaline water electrolysis A composition for a diaphragm for alkaline water electrolysis, which is a preferred embodiment (embodiment 2) of the present invention, will be described. The composition according to embodiment 2 is also referred to as composition (i) of the present invention or simply as composition (i).
上記組成物(i)は、有機ポリマーおよび無機粒子を含み、剪断速度10s-1における粘度(25℃)が30000mPa・s以下であり、かつ剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上であるアルカリ水電解用隔膜用の組成物である。 The composition (i) is a composition for a diaphragm for alkaline water electrolysis that contains an organic polymer and inorganic particles, and has a viscosity (25°C) of 30,000 mPa s or less at a shear rate of 10 s -1 and a viscosity (25°C) of 100,000 mPa s or more at a shear rate of 0.1 s -1 .
粘度(25℃)とは、常温(25℃)における粘度であり、下記方法により測定した粘度である。
(粘度(25℃)の測定方法)
レオメーター(HAAKE社製レオスト6000)、プレートPP35Ti(D=35mm)を用いて、試料を25℃雰囲気に2時間静置し、試料ステージを25℃に調温後適量投入する。剪断速度500s-1にて30秒間処理して試料を均一化し、その後剪断なしで調温のため10秒間保持した後、剪断速度0から300s-1まで9分間で測定点1000点を取得する。得られたデータから0.1s-1、10s-1、250s-1のそれぞれについて最も近しい測定点前後5点で線形近似式を求め、そこから計算される各々の値を、各剪断速度(0.1s-1、10s-1、250s-1)における粘度(25℃)値とする。
The viscosity (25° C.) is the viscosity at room temperature (25° C.) and is measured by the following method.
(Method of measuring viscosity (25°C))
Using a rheometer (HAAKE's Rheost 6000) and a PP35Ti plate (D = 35 mm), the sample is left to stand in a 25°C atmosphere for 2 hours, and the sample stage is adjusted to 25°C and then an appropriate amount is inserted. The sample is homogenized by processing at a shear rate of 500 s -1 for 30 seconds, and then held for 10 seconds to adjust the temperature without shearing, and 1000 measurement points are obtained over 9 minutes from shear rates of 0 to 300 s -1 . From the obtained data, a linear approximation is obtained at five points around the nearest measurement point for each of 0.1 s -1 , 10 s -1 , and 250 s -1 , and each value calculated from the equation is taken as the viscosity (25°C) value at each shear rate (0.1 s -1 , 10 s-1, 250 s -1 ).
上記組成物(i)は、アルカリ水電解用隔膜を製造するための組成物、特に塗布用組成物として好ましく用いることができ、本発明の実施形態1として説明したアルカリ水電解用隔膜を製造するための組成物としても好ましく用いることができる。なお、下記に説明する組成物(i)の好ましい態様は、塗布用組成物として用いる場合の好ましい態様でもある。 The above composition (i) can be preferably used as a composition for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis, particularly as a coating composition, and can also be preferably used as a composition for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis described as embodiment 1 of the present invention. Note that the preferred aspects of composition (i) described below are also preferred aspects when used as a coating composition.
組成物(i)は、剪断速度10s-1における粘度(25℃)が30000mPa・s以下である。剪断速度10s-1における粘度(25℃)が、25000mPa・s以下であることが好ましく、20000mPa・s以下であることがより好ましい。 The composition (i) has a viscosity (25° C.) of 30,000 mPa·s or less at a shear rate of 10 s −1 . The viscosity (25° C.) of 25,000 mPa·s or less at a shear rate of 10 s −1 is preferably 25,000 mPa·s or less, and more preferably 20,000 mPa·s or less.
上記組成物(i)は、塗布用組成物として用いた場合、剪断速度10s-1における粘度(25℃)が低いため、塗布時において、塗布性能に優れたものとなり、たとえば、塗布量(塗布厚み)を制御し易く、多孔性支持体に塗布した時の含侵性に優れるといった作用効果を発揮する組成物としても有用である。 The above composition (i), when used as a coating composition, has a low viscosity (25°C) at a shear rate of 10 s -1 , and therefore has excellent coating performance during coating. For example, the composition is useful as a composition that exhibits effects such as easy control of the coating amount (coating thickness) and excellent impregnation property when applied to a porous support.
上記組成物(i)は、剪断速度10s-1における粘度(25℃)が、10000mPa・s以上であることが好ましい。10000mPa・s未満であると、流動性が高すぎて塗布時の歩留まりが低下する場合がある。剪断速度10s-1における粘度(25℃)は12000mPa・s以上であることがより好ましく、14000mPa・s以上であることがさらに好ましい。 The above composition (i) preferably has a viscosity (25°C) of 10000 mPa·s or more at a shear rate of 10 s -1 . If the viscosity is less than 10000 mPa·s, the fluidity may be too high, resulting in a decrease in yield during application. The viscosity (25°C) at a shear rate of 10 s -1 is more preferably 12000 mPa·s or more, and even more preferably 14000 mPa·s or more.
上記組成物(i)は、剪断速度250s-1における粘度(25℃)が、15000mPa・s以下であることが好ましく、12000mPa・s以下であることがより好ましく、10000mPa・s以下であることがさらに好ましい。上記組成物(i)は、剪断速度250s-1における粘度(25℃)が、5000mPa・s以上であることが好ましい。剪断速度250s-1における粘度(25℃)は6000mPa・s以上であることがより好ましく、7000mPa・s以上であることがさらに好ましい。 The viscosity (25°C) of the composition (i) at a shear rate of 250 s -1 is preferably 15,000 mPa·s or less, more preferably 12,000 mPa·s or less, and even more preferably 10,000 mPa·s or less. The viscosity (25°C) of the composition (i) at a shear rate of 250 s -1 is preferably 5,000 mPa·s or more. The viscosity (25°C) at a shear rate of 250 s -1 is more preferably 6,000 mPa·s or more, and even more preferably 7,000 mPa·s or more.
上記組成物(i)は、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である。剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が200000mPa・s以上であることが好ましく、300000mPa・s以上であることがより好ましい。剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上であることにより、上記組成物(i)は、マクロボイドの生成、成長が抑制された膜を得るための組成物として有用である。
上記組成物(i)は、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が600000mPa・s以下であることが好ましい。より好ましくは500000Pa・s以下であり、さらに好ましくは450000Pa・s以下である。
The above composition (i) has a viscosity (25°C) of 100,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s - 1 . The viscosity (25°C) of 200,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s -1 is preferably 200,000 mPa·s or more, more preferably 300,000 mPa·s or more. By having a viscosity (25°C) of 100,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s-1, the above composition (i) is useful as a composition for obtaining a film in which the generation and growth of macrovoids is suppressed.
The composition (i) preferably has a viscosity (25° C.) at a shear rate of 0.1 s −1 of 600,000 mPa·s or less, more preferably 500,000 Pa·s or less, and even more preferably 450,000 Pa·s or less.
上記組成物(i)において、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)をA、剪断速度10s-1における粘度(25℃)をBとするとき、Bに対するAの比(A/B)が5以上であることが好ましい。上記比(A/B)は8以上であることがより好ましく、さらに好ましくは15以上、特に好ましくは20以上である。一方、上限は特に限定されないが、通常、60以下であり、50以下が好ましく、より好ましくは40以下である。 In the above composition (i), when the viscosity (25°C) at a shear rate of 0.1 s -1 is A and the viscosity (25°C) at a shear rate of 10 s -1 is B, the ratio of A to B (A/B) is preferably 5 or more. The ratio (A/B) is more preferably 8 or more, even more preferably 15 or more, and particularly preferably 20 or more. On the other hand, the upper limit is not particularly limited, but is usually 60 or less, preferably 50 or less, and more preferably 40 or less.
上記組成物(i)は、有機ポリマーを含む。該有機ポリマーは、本発明のアルカリ水電解用隔膜を構成する多孔質層に含まれる有機ポリマーと同様のものを用いることができ、その好ましい態様も同様である。
上記組成物(i)は、無機粒子を含む。該無機粒子は、本発明のアルカリ水電解用隔膜を構成する多孔質層に含まれる無機粒子と同様のものを用いることができ、その好ましい態様も同様である。
The composition (i) contains an organic polymer. The organic polymer can be the same as the organic polymer contained in the porous layer constituting the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, and preferred embodiments thereof are also the same.
The composition (i) contains inorganic particles. The inorganic particles can be the same as the inorganic particles contained in the porous layer constituting the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, and preferred aspects thereof are also the same.
上記組成物(i)は、さらに溶媒を含むことが好ましい。上記溶媒としては、特に制限されないが、有機溶媒が好ましく、また、有機ポリマーを溶解することができるものが好ましい。好ましい有機溶媒としては、たとえば、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等の有機溶媒が挙げられる。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。なかでも、有機ポリマーの溶解性に優れ、無機粒子の分散性にも優れる点で、N-メチル-2-ピロリドンが好ましい。上記溶媒は、水等の有機溶媒以外を含んでいてもよい。 The composition (i) preferably further contains a solvent. The solvent is not particularly limited, but is preferably an organic solvent, and is preferably one capable of dissolving an organic polymer. Preferred organic solvents include, for example, organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone, N,N-dimethylacetamide, N,N-dimethylformamide, and dimethylsulfoxide. These solvents may be used alone or in combination of two or more. Among them, N-methyl-2-pyrrolidone is preferred because of its excellent solubility for organic polymers and excellent dispersibility for inorganic particles. The solvent may contain other organic solvents than water, etc.
上記組成物(i)は、また、金属塩化物を含んでいてもよい。金属塩化物としては塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシム等が挙げられる。これらの塩は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。なかでも、溶媒への溶解性が優れる点で、塩化リチウムが好ましい。金属塩化物を含むことにより、組成物(i)における粘度を上記の好ましい範囲に制御し易くなる。 金属塩化物の含有量は、組成物(i)に含まれる無機粒子100質量%に対する割合で0.001質量%以上、1質量%未満であることが好ましい。金属塩化物の含有量は、無機粒子100質量%に対する割合で0.01質量%以上がより好ましく、0.05質量%以上がさらに好ましく、また、0.5質量%以下がより好ましく、0.2質量%以下がさらに好ましい。上記組成物(i)が金属塩化物を含む形態もまた本発明の好ましい実施形態の一つである。
上記組成物(i)は、上記以外の添加剤を含んでいてもよい。たとえば、可塑剤、界面活性剤等があげられる。上記組成物(i)が溶媒を含まない場合は可塑剤を含むことが好ましい。
The composition (i) may also contain a metal chloride. Examples of the metal chloride include lithium chloride, sodium chloride, potassium chloride, magnesium chloride, calcium chloride, and the like. These salts may be used alone or in combination of two or more. Among them, lithium chloride is preferred because of its excellent solubility in a solvent. By including a metal chloride, it becomes easier to control the viscosity of the composition (i) to the above preferred range. The content of the metal chloride is preferably 0.001% by mass or more and less than 1% by mass relative to 100% by mass of the inorganic particles included in the composition (i). The content of the metal chloride is more preferably 0.01% by mass or more, more preferably 0.05% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or less, and even more preferably 0.2% by mass or less, relative to 100% by mass of the inorganic particles. The embodiment in which the composition (i) includes a metal chloride is also one of the preferred embodiments of the present invention.
The composition (i) may contain additives other than those described above. For example, a plasticizer, a surfactant, etc. When the composition (i) does not contain a solvent, it is preferable that the composition (i) contains a plasticizer.
上記組成物(i)は、上記の粘度(25℃)特性を有する限り、各成分の含有量、組成比等は特に限定されない。
たとえば、上記組成物(i)が溶媒を含み、組成物(i)における無機粒子および有機ポリマーの合計含有量が、組成物(i)100質量%に対して、40質量%以上であることが好ましい。より好ましくは45質量%以上であり、さらに好ましくは48質量%以上である。一方、上限は特に限定されないが、80質量%以下が好ましく、より好ましくは70質量%以下であり、さらに好ましくは60質量%以下であり、特に好ましくは55質量%以下である。
The content, composition ratio, etc. of each component of the composition (i) is not particularly limited so long as it has the above-mentioned viscosity (25° C.) characteristics.
For example, the composition (i) contains a solvent, and the total content of the inorganic particles and the organic polymer in the composition (i) is preferably 40% by mass or more, more preferably 45% by mass or more, and even more preferably 48% by mass or more, relative to 100% by mass of the composition (i). On the other hand, the upper limit is not particularly limited, but is preferably 80% by mass or less, more preferably 70% by mass or less, even more preferably 60% by mass or less, and particularly preferably 55% by mass or less.
また、上記組成物(i)における、上記無機粒子の含有量は、上記無機粒子と上記有機ポリマーとの合計含有量100質量%に対し、50~90質量%であることが好ましい。上記含有量は、85質量%以下であることがより好ましく、80質量%以下であることがさらに好ましく、55質量%以上であることがより好ましく、60質量%以上であることが更に好ましい。 In addition, the content of the inorganic particles in the composition (i) is preferably 50 to 90% by mass relative to 100% by mass of the total content of the inorganic particles and the organic polymer. The content is more preferably 85% by mass or less, even more preferably 80% by mass or less, more preferably 55% by mass or more, and even more preferably 60% by mass or more.
また、組成物(i)に含まれる金属塩化物の含有量は無機粒子100質量%に対する割合で0.001質量%以上、1質量%未満であることが好ましい。さらに該含有量が上述した好ましい範囲であることがより好ましい。 The content of the metal chloride contained in composition (i) is preferably 0.001% by mass or more and less than 1% by mass relative to 100% by mass of the inorganic particles. It is even more preferable that the content is within the above-mentioned preferred range.
上記組成物(i)が溶媒を含まない場合、有機ポリマーと無機粒子との合計含有量は、組成物(i)100質量%に対し、80~100質量%であることが好ましい。含有量が上記範囲であると、組成物(i)における粘度を上記の好ましい範囲に制御し易くなる。 When the above composition (i) does not contain a solvent, the total content of the organic polymer and inorganic particles is preferably 80 to 100% by mass relative to 100% by mass of the composition (i). When the content is within the above range, it becomes easier to control the viscosity of the composition (i) to within the above preferred range.
上記組成物(i)は上述したように、有機ポリマーおよび無機粒子を含み、剪断速度が低い状態では所定値以上の高い粘度(25℃)を有しながら、剪断速度が高い状態では相対的に低い粘度(25℃)を有することにより、マクロボイドの生成よび成長を抑制する等の膜の構造制御に有利なだけでなく、塗布量(塗布厚み)の制御性や含侵性等の塗布性能にも優れるため、たとえば、熱アルカリ中におけるイオン伝導性の安定性に優れるアルカリ水電解を製造するための塗布用組成物として好ましく用いることができる。 As described above, the above composition (i) contains an organic polymer and inorganic particles, and has a high viscosity (25°C) of a predetermined value or more at low shear rates, while having a relatively low viscosity (25°C) at high shear rates. This is advantageous not only for controlling the structure of the film, such as suppressing the generation and growth of macrovoids, but also for providing excellent coating performance, such as controllability of the coating amount (coating thickness) and impregnation, and can therefore be preferably used, for example, as a coating composition for producing alkaline water electrolysis with excellent stability of ion conductivity in hot alkali.
さらに、上記組成物(i)が有する上記粘度特性によるマクロボイドの生成、成長の抑制効果は、上記組成物(i)を用いて得られた塗膜を、非溶媒誘起相分離法を利用した反応(凝固反応)に供した場合に、より顕著となる。よって、上記組成物(i)は、非溶媒誘起相分離工程を含むアルカリ水電解用隔膜の製造方法において塗布用組成物として特に好ましく用いることができる。 Furthermore, the effect of inhibiting the generation and growth of macrovoids due to the above-mentioned viscosity characteristics of the composition (i) becomes more pronounced when a coating film obtained using the composition (i) is subjected to a reaction (solidification reaction) using a non-solvent-induced phase separation method. Therefore, the composition (i) can be particularly preferably used as a coating composition in a method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis that includes a non-solvent-induced phase separation step.
また、上記組成物(i)を塗布用組成物として用いる場合、組成物(i)は溶媒を含むものであることが好ましい。上記組成物(i)は、溶媒を含むことにより、塗布性能に一層優れるものとなるとともに、上記組成物(i)を用いて得られた塗膜を非溶媒誘起相分離工程に供した場合に多孔質構造を制御し易くなる。 When the above composition (i) is used as a coating composition, it is preferable that the composition (i) contains a solvent. By containing a solvent, the above composition (i) has better coating performance, and when a coating film obtained using the above composition (i) is subjected to a non-solvent induced phase separation process, it becomes easier to control the porous structure.
上記組成物(i)はまた、アルカリ水電解用隔膜を製造するための成形用組成物としても好ましく用いることができる。特に、成形により得られた膜に対し熱誘起相分離法を適用する、アルカリ水電解用隔膜の製造方法において好ましく用いることができる。
このように上記組成物(i)を成形用組成物として用いる場合、溶媒を含まないものであることが好ましい。
The composition (i) can also be preferably used as a molding composition for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis, in particular in a method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis in which a thermally induced phase separation method is applied to a membrane obtained by molding.
When the composition (i) is used as a molding composition, it is preferable that the composition does not contain a solvent.
上記組成物(i)の調製方法は、特に制限されず、上記組成物(i)は有機ポリマーと、無機粒子とを混合することにより調製することができる。
上記混合する方法は、特に限定されず、従来公知の混合、分散方法を採用し得る。たとえば、溶融混錬法、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、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が挙げられる。また、必要に応じて分散剤等を適宜添加してもよい。
The method for preparing the composition (i) is not particularly limited, and the composition (i) can be prepared by mixing an organic polymer and inorganic particles.
The above-mentioned mixing method is not particularly limited, and a conventionally known mixing and dispersing method can be adopted. For example, a melt kneading method, a method using a mixer, a ball mill, a jet mill, a disperser, a sand mill, a roll mill, a pot mill, a paint shaker, etc., and other known mixing and dispersing means can be mentioned. In addition, a dispersant, etc. may be appropriately added as necessary.
有機ポリマーと無機粒子とを均一に混合し易い点から、溶媒を用いることが好ましい。溶媒を用いた混合物の調製方法としては、たとえば、有機ポリマーと無機粒子と溶媒とを混合する場合、3成分を同時に混合してもよいし、無機粒子を溶媒に分散させた分散液を予め調製し、次いで上記分散液と有機ポリマーを混合してもよいし、無機粒子を分散させた分散液、有機ポリマーを溶媒に分散又は溶解させた樹脂液をそれぞれ予め調製し、次いでこれらの分散液と樹脂液を混合してもよい。溶媒としては、上記溶媒と同様のものを用いることができ、好ましい態様も同様である。 It is preferable to use a solvent because it is easy to mix the organic polymer and inorganic particles uniformly. As a method for preparing a mixture using a solvent, for example, when mixing an organic polymer, inorganic particles, and a solvent, the three components may be mixed simultaneously, or a dispersion liquid in which inorganic particles are dispersed in a solvent may be prepared in advance and then the dispersion liquid and the organic polymer may be mixed, or a dispersion liquid in which inorganic particles are dispersed and a resin liquid in which an organic polymer is dispersed or dissolved in a solvent may be prepared in advance, and then these dispersion liquids and the resin liquid may be mixed. As the solvent, the same solvent as the above solvent can be used, and the preferred embodiments are also the same.
なかでも、無機粒子の分散状態を制御し易く、有機ポリマーと無機粒子を均一に混合することができる点で、無機粒子を分散させた分散液、有機ポリマーを溶媒に分散又は溶解させた樹脂液をそれぞれ予め調製し、次いでこれらの分散液と樹脂液を混合する方法が好ましい。ここで用いる有機ポリマー、無機粒子は、実施形態2で説明した有機ポリマー、無機粒子とそれぞれ同様である。 Among these, a method in which a dispersion liquid in which inorganic particles are dispersed and a resin liquid in which an organic polymer is dispersed or dissolved in a solvent are each prepared in advance, and then these dispersion liquids and resin liquids are mixed together, is preferred, because it is easy to control the dispersion state of the inorganic particles and allows the organic polymer and inorganic particles to be mixed uniformly. The organic polymer and inorganic particles used here are the same as the organic polymer and inorganic particles described in embodiment 2, respectively.
上記分散液中の無機粒子の濃度は、特に限定されないが、混合が容易な点で、分散液100質量%に対して30~60質量%が好ましい。より好ましくは40~60質量%、更に好ましくは50~60質量%である。上記分散液がさらに金属塩化物を含む場合においても分散液中の無機粒子の濃度は上記と同様である。 The concentration of inorganic particles in the dispersion is not particularly limited, but is preferably 30 to 60% by mass relative to 100% by mass of the dispersion in terms of ease of mixing. It is more preferably 40 to 60% by mass, and even more preferably 50 to 60% by mass. Even if the dispersion further contains a metal chloride, the concentration of inorganic particles in the dispersion is the same as above.
上記有機ポリマーを分散または溶解した樹脂液中の有機ポリマーの濃度は、特に限定されないが、混合が容易な点で、樹脂液100質量%に対して10~50質量%が好ましい。より好ましくは20~40質量%、更に好ましくは25~35質量%である。上記樹脂液がさらに金属塩化物を含む場合においても樹脂液中の有機ポリマーの濃度は上記と同様である。 The concentration of the organic polymer in the resin liquid in which the organic polymer is dispersed or dissolved is not particularly limited, but is preferably 10 to 50% by mass relative to 100% by mass of the resin liquid in terms of ease of mixing. It is more preferably 20 to 40% by mass, and even more preferably 25 to 35% by mass. Even if the resin liquid further contains a metal chloride, the concentration of the organic polymer in the resin liquid is the same as above.
上記混合や分散の方法としては、特に制限されず、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、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が挙げられる。また、分散剤等を適宜添加してもよい。 The above-mentioned mixing and dispersion methods are not particularly limited, and include known mixing and dispersion means such as methods using a mixer, ball mill, jet mill, disperser, sand mill, roll mill, pot mill, paint shaker, etc. Dispersants, etc. may also be added as appropriate.
上記のようにして得られた、無機粒子、有機ポリマーおよび溶媒を含む混合物を、組成物(i)とすることもできるし、さらに、金属塩化物等の添加剤を混合したものも組成物(i)とすることもできる。たとえば、添加剤の混合方法は、特に限定されない。金属塩化物を混合する場合、たとえば、上記の方法で得られた上記混合物に金属塩化物を添加してもよいし、無機粒子を溶媒に分散させた分散液を調製する際に金属塩化物を混合してもよいし、無機粒子を溶媒に分散させた分散液に添加してもよいし、有機ポリマーを溶解または分散した樹脂液に添加してもよい。金属塩化物以外の添加剤を混合する場合も同様である。 The mixture containing inorganic particles, organic polymer and solvent obtained as described above can be used as composition (i), and further, a mixture containing additives such as metal chlorides can also be used as composition (i). For example, the method of mixing the additives is not particularly limited. When mixing metal chlorides, for example, the metal chlorides may be added to the mixture obtained by the above method, or the metal chlorides may be mixed when preparing a dispersion liquid in which inorganic particles are dispersed in a solvent, or may be added to a dispersion liquid in which inorganic particles are dispersed in a solvent, or may be added to a resin liquid in which an organic polymer is dissolved or dispersed. The same applies when additives other than metal chlorides are mixed.
上記組成物(i)の調製時における増粘等が起こり難く、各成分の均一な混合状態が得られ易い点で、金属塩化物の添加方法としては、無機粒子を溶媒に分散させた分散液に添加する方法、および無機粒子、有機ポリマーおよび溶媒を含む混合物に金属塩化物を添加する方法等が好ましい。 The metal chloride is preferably added to a dispersion in which inorganic particles are dispersed in a solvent, or to a mixture containing inorganic particles, an organic polymer, and a solvent, because thickening during preparation of the above composition (i) is unlikely to occur and a uniform mixture of the components is easily obtained.
なお金属塩化物を上記分散液等に混合する際に、金属塩化物を粉末状で混合してもよいし、予め金属塩化物を溶媒に溶解または分散した液(添加液)を予め調製しこれを用いてもよい。該溶媒としては上記有機ポリマーや無機粒子と混合する溶媒と同様のものを好ましく用いることができる。 When the metal chloride is mixed with the above-mentioned dispersion liquid, the metal chloride may be mixed in powder form, or a liquid (additive liquid) in which the metal chloride is dissolved or dispersed in a solvent may be prepared in advance and used. The solvent may preferably be the same as the solvent mixed with the above-mentioned organic polymer or inorganic particles.
上記組成物(i)が溶媒を含む場合は、上記の溶媒を用いた調製方法を採用し、上記組成物(i)の有機ポリマーの種類(材質、分子量)、無機粒子の種類(材質、形状、粒径)、溶媒の種類(溶解力、極性)、これら各々の含有量、これらの組合せ、金属塩化物等の添加剤の添加の有無、量等を適宜選択し、粘度特性を調整することにより、本発明の実施形態2に係る組成物(i)を得ることができる。 When the above composition (i) contains a solvent, a preparation method using the above solvent is employed, and the type of organic polymer (material, molecular weight), the type of inorganic particles (material, shape, particle size), the type of solvent (solubility, polarity), the content of each of these, their combination, the presence or absence of addition of additives such as metal chlorides, and the amount thereof are appropriately selected to adjust the viscosity characteristics, thereby obtaining the composition (i) according to embodiment 2 of the present invention.
3.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について説明する。
本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法は、下記製造方法(1)、(2)である。
上記製造方法(1)は、有機ポリマーおよび無機粒子を含み、剪断速度10s-1における粘度(25℃)が30000mPa・s以下であり、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である組成物を用いることを特徴とする。
上記製造方法(2)は、有機ポリマーおよび無機粒子を含み、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である組成物を用い、該組成物の粘度が30000mPa・s以下となる剪断速度で該組成物を塗布する工程を含むことを特徴とする。
これらの製造方法(1)あるいは(2)を用いることにより、本発明のアルカリ水電解用隔膜(実施形態1)を効率的に製造することが可能となる。またこれらの製造方法(1)あるいは(2)を用いることにより、熱アルカリ中におけるイオン伝導性の安定性に優れるアルカリ水電解用隔膜を効率的に製造することが可能となる。
3. Method for producing the diaphragm for alkaline water electrolysis A method for producing the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention will be described.
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is produced by the following production methods (1) and (2).
The above-mentioned production method (1) is characterized by using a composition containing an organic polymer and inorganic particles, and having a viscosity (25°C) of 30,000 mPa·s or less at a shear rate of 10 s -1 and a viscosity (25°C) of 100,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s-1 .
The above-mentioned production method (2) is characterized in that it includes a step of using a composition containing an organic polymer and inorganic particles and having a viscosity (25°C) of 100,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s-1, and applying the composition at a shear rate such that the viscosity of the composition is 30,000 mPa·s or less.
The use of the production method (1) or (2) makes it possible to efficiently produce the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention (Embodiment 1). Furthermore, the use of the production method (1) or (2) makes it possible to efficiently produce a diaphragm for alkaline water electrolysis having excellent stability of ion conductivity in hot alkali.
<アルカリ水電解用隔膜の製造方法(1)>
本発明における好ましい一実施形態(実施形態3)である、アルカリ水電解用隔膜の製造方法(1)について説明する。
上記製造方法(1)において用いる組成物を組成物(A)とも称する。
組成物(A)としては、上記組成物(i)と同様の組成物を用いることができ、その好ましい態様も上記組成物(i)と同様である。
<Production method of diaphragm for alkaline water electrolysis (1)>
A method (1) for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis, which is a preferred embodiment (embodiment 3) of the present invention, will be described.
The composition used in the above production method (1) is also referred to as composition (A).
As the composition (A), the same composition as the above-mentioned composition (i) can be used, and the preferred embodiments thereof are also the same as those of the above-mentioned composition (i).
上記製造方法(1)は、上記組成物(A)を用いて、膜を形成し、得られた膜を相分離することにより多孔質構造の膜を製造する方法であることが好ましい。
中でも、下記工程(1a)~(3a)を含む製造方法であることが好ましい。
(1a)組成物(A)を調製する工程
(2a)組成物(A)を用いて塗膜を形成する工程
(3a)該塗膜を非溶媒誘起相分離法により多孔質構造とする工程
工程(1a)において組成物(A)を調製する方法としては、実施形態2において説明した組成物(i)の調製法をそのまま採用することができる。好ましい態様も同様である。工程(1a)は、好ましくは、溶媒を含む組成物(塗布用組成物)を調製する工程である。
工程(2a)は、上記工程(1a)で得られた組成物(A)を用いて塗膜を形成する工程である。
The above-mentioned production method (1) is preferably a method in which a film is formed using the above-mentioned composition (A), and the obtained film is subjected to phase separation to produce a film having a porous structure.
Among them, a production method including the following steps (1a) to (3a) is preferable.
(1a) Step of preparing composition (A) (2a) Step of forming a coating film using composition (A) (3a) Step of forming the coating film into a porous structure by a non-solvent induced phase separation method In step (1a), the method of preparing composition (A) can be the same as that of preparing composition (i) described in embodiment 2. The same is also true for the preferred embodiment. Step (1a) is preferably a step of preparing a composition (coating composition) containing a solvent.
Step (2a) is a step of forming a coating film using the composition (A) obtained in the above step (1a).
該組成物(A)としては溶媒を含む組成物(塗布用組成物)を用いることが好ましい。上記組成物(A)を、塗布用組成物として用いた場合、剪断速度10s-1における粘度(25℃)が低いため、塗布時において流動性に優れるため、塗布性能に優れたものとなる。よって上記組成物(A)は、たとえば、塗布量(塗布厚み)を均一に制御し易く、多孔性支持体に対する含侵性に優れる塗布用組成物として用いることができる。上記組成物(A)を上記製造方法(2)における塗布用組成物として用いる場合の好適な態様は、上述した組成物(i)の好適な態様と同様である。 It is preferable to use a composition containing a solvent (coating composition) as the composition (A). When the composition (A) is used as a coating composition, the viscosity (25°C) at a shear rate of 10s -1 is low, and therefore the composition has excellent fluidity during coating, resulting in excellent coating performance. Thus, the composition (A) can be used as a coating composition that is easy to control uniformly in coating amount (coating thickness), and has excellent impregnation properties for a porous support. A preferred embodiment of the composition (A) when used as a coating composition in the production method (2) is the same as the preferred embodiment of the composition (i) described above.
上記塗膜を形成する方法としては、例えば、上記組成物(A)を基材上に塗布する方法等が好ましく挙げられる。上記工程(2a)は、上記組成物(A)を多孔性支持体に塗布する工程を含むことが好ましい。
上記塗布する方法としては、特に制限されず、例えば、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、コーター等を用いる方法等の公知の塗布手段が挙げられる。
A preferred method for forming the coating film is, for example, a method of applying the composition (A) onto a substrate, etc. The step (2a) preferably includes a step of applying the composition (A) onto a porous support.
The coating method is not particularly limited, and examples thereof include known coating means such as die coating, spin coating, gravure coating, curtain coating, spraying, and methods using an applicator or coater.
上記基材としては、上記組成物(A)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、多孔性支持体以外にも例えば、ポリテトラ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。なかでも、ポリテトラエチレンテレフタレートのフィルム又はシートが好ましい。
上記多孔性支持体としては、実施形態1の説明において上述したものと同様のものを用いることができ、好ましい態様も同様である。
The substrate is not particularly limited as long as it can be coated with the composition (A) to form a coating film, and examples thereof include, in addition to a porous support, films or sheets made of resins such as polytetraethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, polyvinyl acetal, polymethyl methacrylate, polycarbonate, etc., glass plates, etc. Among these, polytetraethylene terephthalate films or sheets are preferred.
As the porous support, the same one as that described above in the description of the first embodiment can be used, and the preferred aspects are also the same.
上記アルカリ水電解用隔膜が多孔性支持体を含む場合は、多孔性支持体に上記組成物(A)を塗布するとよい。塗布方法としては、多孔性支持体に上記組成物(A)を直接塗布する方法、多孔性支持体を上記組成物(A)中に浸漬する方法が挙げられる。また、上記組成物(A)を上述した基材上に塗布し、塗布物に多孔性支持体を接触させて、上記組成物(A)を多孔性支持体に含浸させる方法等が挙げられる。多孔性支持体に上記組成物(A)を含浸させることにより、上記組成物(A)由来の塗膜と多孔性支持体とが一体化した複合体を作製することができる。
上記組成物(A)の塗布量としては、特に制限されず、得られる隔膜が、上述した効果が発揮できる厚さを有するよう適宜設定すればよい。
When the diaphragm for alkaline water electrolysis includes a porous support, the composition (A) may be applied to the porous support. Examples of the application method include a method of directly applying the composition (A) to the porous support and a method of immersing the porous support in the composition (A). Examples of the application method include a method of applying the composition (A) to the above-mentioned substrate and bringing the porous support into contact with the applied product to impregnate the porous support with the composition (A). By impregnating the porous support with the composition (A), a composite in which a coating film derived from the composition (A) and the porous support are integrated can be produced.
The amount of the composition (A) to be applied is not particularly limited, and may be appropriately determined so that the resulting diaphragm has a thickness that allows the above-mentioned effects to be exhibited.
上記工程(3a)は、工程(2a)で得られた塗膜を非溶媒誘起相分離法により多孔質構造とする工程である。工程(3a)は、工程(2a)で得られた塗膜を有機ポリマーに対する非溶媒を含む液に接触させて上記塗膜を多孔質構造とする工程ということもできる。上記有機ポリマーに対する非溶媒を含む液を非溶媒含有液とも称する。
上記塗膜を、上記有機ポリマーに対する非溶媒を含む液と接触させることにより、上記塗膜中に上記非溶媒が拡散し、上記非溶媒に溶解しない有機ポリマーは凝固する。一方で、上記非溶媒に溶解しうる塗膜中の溶媒は、塗膜から溶出する。このような相分離が生じることにより、有機ポリマーが凝固し、多孔質構造が形成される。
The above step (3a) is a step of forming a porous structure from the coating film obtained in step (2a) by a non-solvent-induced phase separation method. Step (3a) can also be said to be a step of forming a porous structure from the coating film obtained in step (2a) by contacting the coating film with a liquid containing a non-solvent for the organic polymer. The liquid containing a non-solvent for the organic polymer is also called a non-solvent-containing liquid.
By contacting the coating with a liquid containing a non-solvent for the organic polymer, the non-solvent diffuses into the coating, and the organic polymer that is not soluble in the non-solvent solidifies. Meanwhile, the solvent in the coating that is soluble in the non-solvent dissolves from the coating. Such phase separation causes the organic polymer to solidify, forming a porous structure.
塗膜を形成する組成物(A)が、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上であると、上記組成物からなる塗膜の相分離速度が低くなるよう抑制されるため、マクロボイドの生成、成長が抑制された多孔質構造が得られ易くなる。 When the composition (A) for forming the coating film has a viscosity (25°C) of 100,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s -1 , the phase separation rate of the coating film made of the composition is suppressed to be low, making it easier to obtain a porous structure in which the generation and growth of macrovoids is suppressed.
上記塗膜と上記非溶媒含有液とを接触させる方法としては、上記塗膜を上記非溶媒含有液中に浸漬させる方法(凝固浴)等が挙げられる。多孔質層を形成するための上記組成物(A)を多孔性支持体に塗布し塗膜を形成した場合は、該塗膜を形成した多孔性支持体を上記非溶媒中に浸漬させるとよい。 Methods for contacting the coating film with the non-solvent-containing liquid include a method of immersing the coating film in the non-solvent-containing liquid (coagulation bath). When the composition (A) for forming a porous layer is applied to a porous support to form a coating film, the porous support on which the coating film has been formed may be immersed in the non-solvent.
上記有機ポリマーに対する非溶媒としては、上記有機ポリマーを実質的に溶解しない性質を有する溶媒が挙げられる。上記有機ポリマーを実質的に溶解しないとは、25℃で、溶媒100gに対し、有機ポリマーの溶解度が100mg以下である場合をいう。
上記非溶媒としては、例えば、純水、蒸留水、イオン交換水等の水;メタノール、エタノール、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、なかでも経済性と排液処理の観点から水が好ましく、イオン交換水がより好ましい。
上記非溶媒含有液は、上記有機ポリマーに対する非溶媒を含んでいればよく、その濃度が特に限定されないが、たとえば、非溶媒含有液における該非溶媒の濃度が100質量%である形態もしくは100質量%に近い濃度に維持する形態も好ましい実施形態の一つである。
The non-solvent for the organic polymer may be a solvent that does not substantially dissolve the organic polymer, where the solubility of the organic polymer in 100 g of the solvent at 25° C. is 100 mg or less.
Examples of the non-solvent include water, such as pure water, distilled water, and ion-exchanged water; lower alcohols, such as methanol, ethanol, and propyl alcohol; and mixed solvents thereof. Among these, water is preferred from the viewpoints of economy and wastewater treatment, and ion-exchanged water is more preferred.
The non-solvent-containing liquid may contain a non-solvent for the organic polymer, and its concentration is not particularly limited. For example, one preferred embodiment is one in which the concentration of the non-solvent in the non-solvent-containing liquid is 100% by mass or is maintained at a concentration close to 100% by mass.
一方、非溶媒含有液は、非溶媒以外の溶媒を含む形態も好ましい実施形態の一つである。この場合、非溶媒含有液における該非溶媒の濃度が10質量%以上であることが好ましい。より好ましくは20質量%以上であり、さらに好ましくは40質量%以上である。一方、上限は90質量%以下であることが好ましく、より好ましくは80質量%以下であり、さらに好ましくは60質量%以下である。 On the other hand, a preferred embodiment is one in which the non-solvent-containing liquid contains a solvent other than the non-solvent. In this case, it is preferable that the concentration of the non-solvent in the non-solvent-containing liquid is 10% by mass or more. More preferably, it is 20% by mass or more, and even more preferably, it is 40% by mass or more. On the other hand, the upper limit is preferably 90% by mass or less, more preferably 80% by mass or less, and even more preferably, it is 60% by mass or less.
非溶媒含有液はまた、非溶媒含有液に含まれる非溶媒と非溶媒以外の溶媒の合計量100質量%に対し、非溶媒を10質量%以上、90質量%以下の割合で含むことが好ましい。より好ましくは20質量%以上であり、さらに好ましくは40質量%以上であり、一方、上限のより好ましくは80質量%以下、さらに好ましくは60質量%以下である。 It is also preferable that the non-solvent-containing liquid contains 10% by mass or more and 90% by mass or less of the non-solvent, based on 100% by mass of the total amount of the non-solvent and the solvent other than the non-solvent contained in the non-solvent-containing liquid. More preferably, it is 20% by mass or more, and even more preferably, it is 40% by mass or more, while the upper limit is more preferably 80% by mass or less, and even more preferably, it is 60% by mass or less.
また、非溶媒以外の溶媒としては、特に限定されないが、塗膜中に含まれる溶媒と同様の溶媒を含むことが好ましい。非溶媒含有液が、塗膜中に含まれる溶媒と同様の溶媒を含む場合、塗膜中に含まれる溶媒と同様の溶媒の含有量は、非溶媒含有液に含まれる非溶媒と非溶媒以外の溶媒の合計量100質量%に対し、10質量%以上、90質量%以下が好ましく、より好ましくは20質量%以上、80質量%以下であり、さらに好ましくは40質量%以上、60質量%以下である。 In addition, the solvent other than the non-solvent is not particularly limited, but preferably contains a solvent similar to the solvent contained in the coating film. When the non-solvent-containing liquid contains a solvent similar to the solvent contained in the coating film, the content of the solvent similar to the solvent contained in the coating film is preferably 10% by mass or more and 90% by mass or less, more preferably 20% by mass or more and 80% by mass or less, and even more preferably 40% by mass or more and 60% by mass or less, relative to 100% by mass of the total amount of the non-solvent and the solvent other than the non-solvent contained in the non-solvent-containing liquid.
上記工程(3a)の温度条件は、塗膜を均一に凝固させることができる点で、5~30℃であることが好ましく、10~30℃であることがより好ましく、15~30℃であることが更に好ましい。
上記工程(3a)により、上記工程(2a)で形成した塗膜は、凝固し多孔質構造となる。凝固し多孔質構造となった塗膜は、上記非溶媒等の工程(3a)で用いた非溶媒含有液に含まれる溶媒成分および/または工程(2a)で形成した塗膜に含まれる溶媒成分を含む。
The temperature condition in the above step (3a) is preferably 5 to 30°C, more preferably 10 to 30°C, and even more preferably 15 to 30°C, in order to enable the coating film to be solidified uniformly.
By the above step (3a), the coating film formed in the above step (2a) is solidified to have a porous structure. The coating film solidified to have a porous structure contains the solvent component contained in the non-solvent-containing liquid used in step (3a) such as the non-solvent and/or the solvent component contained in the coating film formed in step (2a).
本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法(1)は、更に、下記工程(4a)を含むことが好ましい。
(4)工程(3a)により得られた多孔質構造とした塗膜を乾燥させて多孔質層を得る工程。
工程(4a)においては、工程(3a)により得られた多孔質構造とした塗膜に含まれる非溶媒等の揮発成分を除去することにより、多孔質層を得ることができる。
The method (1) for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention preferably further includes the following step (4a):
(4) A step of drying the coating film having a porous structure obtained in the step (3a) to obtain a porous layer.
In step (4a), a porous layer can be obtained by removing volatile components such as non-solvent contained in the coating film having a porous structure obtained in step (3a).
乾燥温度としては、60~100℃が好ましく、60~80℃がより好ましい。乾燥時間としては、2~60分間が好ましく、2~30分間がより好ましく、5~30分間が更に好ましい。 The drying temperature is preferably 60 to 100°C, and more preferably 60 to 80°C. The drying time is preferably 2 to 60 minutes, more preferably 2 to 30 minutes, and even more preferably 5 to 30 minutes.
上記アルカリ水電解用隔膜の製造方法(1)は、上述した工程(1a)~(4)以外に、隔膜の密度を均一にするためにプレス処理する工程等、公知の他の工程を含んでいてもよい。
上述したように、本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法(1)は、上記の工程(1a)~(3a)を含む製造方法であることが好ましく、工程(1a)~(4a)を含む製造方法であることがより好ましい。ただし、本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法(1)は、これらの好ましい形態に制限されるものではない。
The method (1) for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis may include other known steps, such as a pressing step for making the density of the diaphragm uniform, in addition to the above-described steps (1a) to (4).
As described above, the method (1) for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is preferably a method including the above steps (1a) to (3a), and more preferably a method including steps (1a) to (4a), although the method (1) for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is not limited to these preferred embodiments.
<アルカリ水電解用隔膜の製造方法(2)>
本発明における好ましい一実施形態(実施形態4)である、アルカリ水電解用隔膜の製造方法(2)について説明する。
上記製造方法(2)は、有機ポリマーおよび無機粒子を含み、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である組成物を用い、該組成物の粘度が30000mPa・s以下となる剪断速度で該組成物を塗布する工程を含むことを特徴とする。
上記製造方法(2)において用いる組成物を組成物(B)と称する。
<Production method of diaphragm for alkaline water electrolysis (2)>
A method (2) for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis, which is a preferred embodiment (embodiment 4) of the present invention, will be described.
The above-mentioned production method (2) is characterized in that it includes a step of using a composition containing an organic polymer and inorganic particles and having a viscosity (25°C) of 100,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s-1, and applying the composition at a shear rate such that the viscosity of the composition is 30,000 mPa·s or less.
The composition used in the above production method (2) is referred to as composition (B).
上記組成物(B)は、有機ポリマーおよび無機粒子を含み、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である。
上記有機ポリマー、上記無機粒子は、製造方法(1)で用いる有機ポリマー、無機粒子と同様であり、その好ましい態様も同様である。
The composition (B) contains an organic polymer and inorganic particles, and has a viscosity (25° C.) of 100,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s −1 .
The organic polymer and inorganic particles are the same as those used in the production method (1), and preferred embodiments thereof are also the same.
上記組成物(B)は、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である。剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が200000mPa・s以上であることが好ましく、300000mPa・s以上であることがより好ましい。
上記組成物(B)は、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が600000mPa・s以下であることが好ましい。より好ましくは500000Pa・s以下であり、さらに好ましくは450000Pa・s以下である。
The composition (B) has a viscosity (25° C.) of 100,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s −1 . The viscosity (25° C.) of 200,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s −1 is preferably 200,000 mPa·s or more, and more preferably 300,000 mPa·s or more.
The composition (B) preferably has a viscosity (25° C.) at a shear rate of 0.1 s −1 of 600,000 mPa·s or less, more preferably 500,000 Pa·s or less, and even more preferably 450,000 Pa·s or less.
上記組成物(B)は、剪断速度10s-1における粘度(25℃)が30000mPa・s以下であることが好ましく、25000mPa・s以下であることがより好ましく、20000mPa・s以下であることがさらに好ましく、一方、下限値は、10000mPa・s以上であることが好ましく、12000mPa・s以上であることがより好ましい。 The viscosity (25°C) of the composition (B) at a shear rate of 10 s -1 is preferably 30,000 mPa·s or less, more preferably 25,000 mPa·s or less, and even more preferably 20,000 mPa·s or less, while the lower limit is preferably 10,000 mPa·s or more, and more preferably 12,000 mPa·s or more.
上記組成物(B)は、剪断速度250s-1における粘度(25℃)が、15000mPa・s以下であることが好ましく、12000mPa・s以下であることがより好ましく、10000mPa・s以下であることがさらに好ましい。剪断速度250s-1における粘度(25℃)は、5000mPa・s以上であることが好ましく、6000mPa・s以上であることがより好ましく、7000mPa・s以上であることがさらに好ましい。 The viscosity (25°C) of the composition (B) at a shear rate of 250 s -1 is preferably 15,000 mPa·s or less, more preferably 12,000 mPa·s or less, and even more preferably 10,000 mPa·s or less. The viscosity (25°C) at a shear rate of 250 s -1 is preferably 5,000 mPa·s or more, more preferably 6,000 mPa·s or more, and even more preferably 7,000 mPa·s or more.
上記組成物(B)は、さらに溶媒を含むことが好ましい。上記溶媒としては、特に制限されないが、有機溶媒が好ましく、有機ポリマーを溶解することができるものが好ましい。好ましい有機溶媒としては、上記組成物(i)において用いることのできる溶媒と同様である。 It is preferable that the composition (B) further contains a solvent. The solvent is not particularly limited, but is preferably an organic solvent, and is preferably one that can dissolve an organic polymer. Preferred organic solvents are the same as those that can be used in the composition (i).
上記組成物(B)は、金属塩化物を含んでいることが好ましく、好ましい金属塩化物の種類、金属塩化物の好ましい含有量等は、組成物(i)における金属塩化物の場合と同様である。
上記組成物(B)は、上記以外の添加剤を含んでいてもよい。その好ましい態様も組成物(i)の場合と同様である。
上記組成物(B)は、上記の粘度(25℃)特性を有する限り、各成分の含有量、組成比等は特に限定されない。
The composition (B) preferably contains a metal chloride, and the preferred types of metal chlorides, the preferred content of metal chlorides, etc. are the same as those of the metal chlorides in the composition (i).
The composition (B) may contain additives other than those mentioned above. The preferred embodiments thereof are the same as those of the composition (i).
The composition (B) is not particularly limited with respect to the content, composition ratio, etc. of each component, so long as it has the above-mentioned viscosity (25° C.) characteristics.
たとえば、上記組成物(B)が溶媒を含み、組成物(B)における無機粒子および有機ポリマーの合計含有量が、組成物(B)100質量%に対して、40質量%以上であることが好ましい。より好ましくは45質量%以上であり、さらに好ましくは48質量%以上である。一方、上限は特に限定されないが、80質量%以下が好ましく、より好ましくは70質量%以下であり、さらに好ましくは60質量%以下であり、特に好ましくは55質量%以下である。 For example, it is preferable that the composition (B) contains a solvent, and the total content of the inorganic particles and the organic polymer in the composition (B) is 40% by mass or more, based on 100% by mass of the composition (B). More preferably, it is 45% by mass or more, and even more preferably, it is 48% by mass or more. On the other hand, the upper limit is not particularly limited, but is preferably 80% by mass or less, more preferably 70% by mass or less, even more preferably 60% by mass or less, and particularly preferably 55% by mass or less.
また、上記組成物(B)における、上記無機粒子の含有量は、上記無機粒子と上記有機ポリマーとの合計含有量100質量%に対し、50~90質量%であることが好ましい。上記含有量は、85質量%以下であることがより好ましく、80質量%以下であることがさらに好ましく、55質量%以上であることがより好ましく、60質量%以上であることが更に好ましい。 In addition, the content of the inorganic particles in the composition (B) is preferably 50 to 90% by mass relative to 100% by mass of the total content of the inorganic particles and the organic polymer. The content is more preferably 85% by mass or less, even more preferably 80% by mass or less, more preferably 55% by mass or more, and even more preferably 60% by mass or more.
また、組成物(B)が上記金属塩化物を含む場合、組成物(B)に含まれる金属塩化物の含有量は無機粒子100質量%に対する割合で0.001質量%以上、1質量%未満であることが好ましい。金属塩化物の含有量は、無機粒子100質量%に対する割合で0.01質量%以上がより好ましく、0.05質量%以上がさらに好ましく、また、0.5質量%以下がより好ましく、0.2質量%以下がさらに好ましい。
上記組成物(B)は、実施形態2において説明した組成物(i)の調製法と同様にして調製することができる。
In addition, when the composition (B) contains the metal chloride, the content of the metal chloride contained in the composition (B) is preferably 0.001% by mass or more and less than 1% by mass relative to 100% by mass of the inorganic particles. The content of the metal chloride is more preferably 0.01% by mass or more, even more preferably 0.05% by mass or more, and more preferably 0.5% by mass or less, even more preferably 0.2% by mass or less, relative to 100% by mass of the inorganic particles.
The composition (B) can be prepared in the same manner as the preparation method of the composition (i) explained in the second embodiment.
上記製造方法(2)は、上記組成物(B)を用い、該組成物の粘度が30000mPa・s以下となる剪断速度で該組成物を塗布する工程を含む限り、特に制限されないが、下記工程(1b)~(3b)を含む製造方法であることが好ましい。
(1b)組成物(B)を調製する工程
(2b)組成物(B)を用いて塗膜を形成する工程
(3b)該塗膜を非溶媒誘起相分離法により多孔質構造とする工程
工程(1b)においては、実施形態2において説明した組成物(i)の調製法、すなわち、工程(1a)における組成物(A)の調製法を準用することにより、組成物(B)を調製することができる。工程(1b)は、組成物(B)として溶媒を含む組成物(塗布用組成物)を調製する工程であることが好ましい。
工程(2b)は、上記工程(1b)で得られた組成物(B)を用いて塗膜を形成する工程である。該組成物(B)としては溶媒を含む組成物(塗布用組成物)を用いることが好ましい。
工程(2b)においては、組成物(B)の粘度が30000mPa・s以下となる剪断速度で該組成物(B)を塗布することが必要である。
The above-mentioned production method (2) is not particularly limited as long as it includes a step of using the above-mentioned composition (B) and applying the composition at a shear rate that gives the composition a viscosity of 30,000 mPa s or less. However, it is preferable that the production method includes the following steps (1b) to (3b):
(1b) Step of preparing composition (B) (2b) Step of forming a coating film using composition (B) (3b) Step of making the coating film have a porous structure by a non-solvent induced phase separation method In step (1b), composition (B) can be prepared by applying the method of preparing composition (i) explained in embodiment 2, that is, the method of preparing composition (A) in step (1a). Step (1b) is preferably a step of preparing a composition (coating composition) containing a solvent as composition (B).
Step (2b) is a step of forming a coating film using the composition (B) obtained in the above step (1b). As the composition (B), it is preferable to use a composition containing a solvent (a coating composition).
In the step (2b), it is necessary to apply the composition (B) at a shear rate at which the viscosity of the composition (B) becomes 30,000 mPa·s or less.
上記剪断速度は、塗布時において組成物(B)にかかる最大剪断速度を意味する。最大剪断速度について図1を例として用いて説明する。図1は、コーターを横から見たときの構成を模式的に示したものである。剪断速度は、基材の搬送速度をV(m/s)、ギャップをH(m)としたとき、V/Hで決定される。図1に示すように、組成物(B)等の塗布液は、コーター付近に投入されて、コーターとバックロールに挟まれるため、コーターとバックロール間の距離、すなわちギャップHに対応した剪断を受ける。ギャップHはコーター先端方向に向けて段々小さくなり、ブレード先端時において最小となる。速度一定の場合、ギャップHが最小となる位置において塗布液にかかる剪断速度は最大となる。該剪断速度が上記最大剪断速度であり、コーターの場合は、ブレード先端時における塗布液にかかる剪断速度となる。 The shear rate means the maximum shear rate applied to the composition (B) during coating. The maximum shear rate will be explained using FIG. 1 as an example. FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a coater viewed from the side. The shear rate is determined by V/H, where V is the transport speed of the substrate (m/s) and H is the gap (m). As shown in FIG. 1, the coating liquid such as the composition (B) is introduced near the coater and sandwiched between the coater and the back roll, and is subjected to shear corresponding to the distance between the coater and the back roll, that is, the gap H. The gap H becomes gradually smaller toward the tip of the coater and is minimum at the tip of the blade. When the speed is constant, the shear rate applied to the coating liquid is maximum at the position where the gap H is minimum. This shear rate is the maximum shear rate, and in the case of a coater, it is the shear rate applied to the coating liquid at the tip of the blade.
言い換えれば、工程(2b)においては、塗布する際の組成物(B)の粘度を30000mPa・s以下となるように、最大剪断速度を制御することが必要である。
塗布する際の粘度を上記範囲とすることにより、塗布厚みの均一性、多孔性支持体への含侵性等に優れる塗布が可能となる。
In other words, in the step (2b), it is necessary to control the maximum shear rate so that the viscosity of the composition (B) during application is 30,000 mPa·s or less.
By controlling the viscosity during coating within the above range, coating can be performed with excellent uniformity in coating thickness and excellent impregnation into the porous support.
塗布する際の組成物(B)の上記粘度が30000mPa・s以下となるように最大剪断速度を調整することが好ましく、25000mPa・s以下となるよう最大剪断速度を調整することがより好ましく、20000mPa・s以下となるよう最大剪断速度を調整することがさらに好ましい。一方、上記粘度の上限値は、5000mPa・s以上が好ましく、6000mPa・s以上がより好ましい。 It is preferable to adjust the maximum shear rate so that the viscosity of composition (B) when applied is 30,000 mPa·s or less, more preferably 25,000 mPa·s or less, and even more preferably 20,000 mPa·s or less. On the other hand, the upper limit of the viscosity is preferably 5,000 mPa·s or more, and more preferably 6,000 mPa·s or more.
塗布する際の組成物(B)の温度は特に限定されないが、0~50℃であることが好ましく、10~40℃であることがより好ましく、15~35℃であることがさらに好ましい。 The temperature of composition (B) when applied is not particularly limited, but is preferably 0 to 50°C, more preferably 10 to 40°C, and even more preferably 15 to 35°C.
上記塗膜を形成する方法としては、例えば、上記組成物(B)を基材上に塗布する方法等が好ましく挙げられる。上記工程(2a)は、上記組成物(B)を多孔性支持体に塗布する工程を含むことが好ましい。 A preferred method for forming the coating film is, for example, a method in which the composition (B) is applied to a substrate. The step (2a) preferably includes a step of applying the composition (B) to a porous support.
上記塗布する方法としては、特に制限されず、例えば、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、コーター等を用いる方法等の公知の塗布手段が挙げられる。中でも、塗布する際の組成物(B)の粘度を、上記の好ましい温度範囲において、30000mPa・s以下となるように最大剪断速度を調整し易い点から、ダイコーティング、コーター等を用いる塗布方法が好ましい。 The above-mentioned coating method is not particularly limited, and examples thereof include known coating means such as die coating, spin coating, gravure coating, curtain coating, spraying, and methods using an applicator or coater. Among these, coating methods using die coating or a coater are preferred because it is easy to adjust the maximum shear rate so that the viscosity of composition (B) during coating is 30,000 mPa·s or less in the above-mentioned preferred temperature range.
上記基材、上記多孔性支持体については、上記製造方法(1)における工程(2a)と同様であり、好ましい態様も同様である。
多孔性支持体を含むアルカリ水電解用隔膜を製造する場合は、多孔性支持体に上記組成物(B)を塗布することが好ましく、その塗布方法としては、製造方法(1)における工程(2a)と同様であり、好ましい態様も同様である。また上記組成物(B)の塗布量としては、特に制限されず、得られる隔膜が、上述した効果が発揮できる厚さを有するよう適宜設定すればよい。
The above substrate and the above porous support are the same as those in step (2a) of the above production method (1), and preferred embodiments are also the same.
When a diaphragm for alkaline water electrolysis containing a porous support is produced, it is preferable to apply composition (B) to the porous support, and the application method and preferred aspects are the same as those in step (2a) in production method (1). In addition, the amount of composition (B) applied is not particularly limited and may be appropriately selected so that the obtained diaphragm has a thickness that can exhibit the above-mentioned effects.
上記工程(3b)は、工程(2b)で得られた塗膜を非溶媒誘起相分離法により多孔質構造とする工程である。工程(3b)は、工程(2b)で得られた塗膜を有機ポリマーに対する非溶媒を含む液(非溶媒含有液)に接触させて上記塗膜を多孔質構造とする工程ということもできる。
上記工程(3b)における、非溶媒の種類、非溶媒含有液の組成、温度等の各種条件等は、製造方法(1)における工程(3a)の場合と好ましい態様も含め、同様である。
上記工程(3b)により、上記工程(2b)で形成した塗膜は凝固し多孔質構造となる。
The step (3b) is a step of forming a porous structure from the coating film obtained in the step (2b) by a non-solvent-induced phase separation method. The step (3b) can also be said to be a step of forming a porous structure from the coating film obtained in the step (2b) by contacting the coating film obtained in the step (2b) with a liquid containing a non-solvent for the organic polymer (non-solvent-containing liquid).
In the above step (3b), various conditions such as the type of non-solvent, the composition of the non-solvent-containing liquid, and temperature are the same as those in the step (3a) in the production method (1), including preferred embodiments.
In the step (3b), the coating film formed in the step (2b) solidifies and becomes porous.
上記塗膜が、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である組成物(B)の塗布により得られた塗膜であるため、塗膜における相分離反応がゆっくりと進行し、その結果、マクロボイドの生成、成長が抑制された多孔質構造が得られ易くなる。
多孔質構造となった塗膜は、工程(3b)で用いた非溶媒含有液に含まれる溶媒成分および/または工程(2b)で形成した塗膜に含まれる溶媒成分を含む。
Since the coating film is obtained by applying composition (B) having a viscosity (25°C) of 100,000 mPa·s or more at a shear rate of 0.1 s -1 , the phase separation reaction in the coating film proceeds slowly, and as a result, a porous structure in which the generation and growth of macrovoids is suppressed is easily obtained.
The coating film having a porous structure contains the solvent component contained in the non-solvent-containing liquid used in step (3b) and/or the solvent component contained in the coating film formed in step (2b).
上記製造方法(2)は、更に、下記工程(4b)を含むことが好ましい。
(4b)工程(3b)により得られた多孔質構造とした塗膜を乾燥させて多孔質層を得る工程。
上記工程(4b)における、乾燥温度、乾燥時間等の各種条件は、製造方法(1)における工程(4a)の場合と好ましい態様も含め、同様である。
上記製造方法(2)は、上述した工程(1b)~(4b)以外に、隔膜の密度を均一にするためにプレス処理する工程等、公知の他の工程を含んでいてもよい。
It is preferable that the above production method (2) further includes the following step (4b).
(4b) A step of drying the coating film having a porous structure obtained in the step (3b) to obtain a porous layer.
In the step (4b), various conditions such as drying temperature and drying time are the same as those in the step (4a) in the production method (1), including preferred embodiments.
The above-mentioned production method (2) may include other known steps, such as a pressing step for making the density of the diaphragm uniform, in addition to the above-mentioned steps (1b) to (4b).
上述したように、本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法(2)は、上記の工程(1b)~(3b)を含む製造方法であることが好ましく、工程(1b)~(4b)を含む製造方法であることがより好ましい。ただし、本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法(2)は、これらの好ましい形態に制限されるものではない。 As described above, the production method (2) of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is preferably a production method including the above steps (1b) to (3b), and more preferably a production method including steps (1b) to (4b). However, the production method (2) of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is not limited to these preferred forms.
4.実施形態5にかかるアルカリ水電解用隔膜
本発明における好ましい一実施形態(実施形態5)として、有機ポリマーおよび無機粒子を含み、剪断速度10s-1における粘度(25℃)が30000mPa・s以下であり、かつ剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である組成物を用いて作製されてなるアルカリ水電解用隔膜をあげることができる。
4. Diaphragm for alkaline water electrolysis according to embodiment 5 A preferred embodiment (embodiment 5) of the present invention includes a diaphragm for alkaline water electrolysis produced using a composition comprising an organic polymer and inorganic particles, and having a viscosity (25°C) of 30,000 mPa s or less at a shear rate of 10 s -1 and a viscosity (25°C) of 100,000 mPa s or more at a shear rate of 0.1 s -1 .
実施形態5にかかるアルカリ水電解用隔膜は、上記組成物を用いて作製されるが、上記組成物における好ましい態様は、実施形態2に係る組成物(i)における好ましい態様と同様であり、また実施形態3にかかる製造方法(1)で用いる組成物(A)における好ましい態様と同様である。また実施形態5にかかるアルカリ水電解用隔膜を製造するための好ましいプロセスや諸条件等についても、実施形態3にかかる製造方法(1)における好ましいプロセスや諸条件等をそのまま準用することができる。
実施形態5にかかるアルカリ水電解用隔膜は、たとえば、熱アルカリ中でのイオン伝導性の安定性に優れるアルカリ水電解用隔膜として、好ましく用いることができる。
The diaphragm for alkaline water electrolysis according to Embodiment 5 is produced using the above composition, and preferred aspects of the composition are similar to the preferred aspects of the composition (i) according to Embodiment 2 and also similar to the preferred aspects of the composition (A) used in the production method (1) according to Embodiment 3. Furthermore, the preferred processes and conditions for producing the diaphragm for alkaline water electrolysis according to Embodiment 5 can be directly applied to the preferred processes and conditions for the production method (1) according to Embodiment 3.
The diaphragm for alkaline water electrolysis according to the fifth embodiment can be preferably used as a diaphragm for alkaline water electrolysis having excellent stability of ion conductivity in hot alkali, for example.
5.実施形態6にかかるアルカリ水電解用隔膜
本発明における好ましい一実施形態(実施形態6)として、有機ポリマーおよび無機粒子を含み、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である組成物を用い、該組成物の粘度が30000mPa・s以下となる剪断速度で該組成物を塗布する工程を含む製造方法により作製されてなるアルカリ水電解用隔膜をあげることができる。
5. Diaphragm for alkaline water electrolysis according to embodiment 6 A preferred embodiment (embodiment 6) of the present invention can include a diaphragm for alkaline water electrolysis prepared by a production method including a step of using a composition containing an organic polymer and inorganic particles and having a viscosity (25°C) of 100,000 mPa s or more at a shear rate of 0.1 s -1 , and applying the composition at a shear rate such that the viscosity of the composition is 30,000 mPa s or less.
実施形態6にかかるアルカリ水電解用隔膜は、上記組成物を用いて作製されるが、上記組成物における好ましい態様は、実施形態4にかかる製造方法(2)で用いる組成物(B)における好ましい態様と同様である。また実施形態6にかかるアルカリ水電解用隔膜を製造するための好ましいプロセスや諸条件等についても、実施形態4にかかる製造方法(2)における好ましいプロセスや諸条件等をそのまま準用することができる。
実施形態6にかかるアルカリ水電解用隔膜は、たとえば、熱アルカリ中でのイオン伝導性の安定性に優れるアルカリ水電解用隔膜として、好ましく用いることができる。
The diaphragm for alkaline water electrolysis according to Embodiment 6 is produced using the above composition, and preferred aspects of the composition are similar to the preferred aspects of composition (B) used in the production method (2) according to Embodiment 4. Furthermore, preferred processes, conditions, etc. for producing the diaphragm for alkaline water electrolysis according to Embodiment 6 can be directly applied to the preferred processes, conditions, etc. in the production method (2) according to Embodiment 4.
The diaphragm for alkaline water electrolysis according to the sixth embodiment can be preferably used, for example, as a diaphragm for alkaline water electrolysis having excellent stability of ion conductivity in hot alkali.
6.用途
本発明における、上記各実施形態にかかる各アルカリ水電解用隔膜はいずれも、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。本発明の実施形態3にかかる製造方法(1),実施形態4にかかる製造方法(2)により製造される各アルカリ水電解用隔膜についても同様である。
Any of the diaphragms for alkaline water electrolysis according to the above-described embodiments of the present invention can be suitably used as diaphragms for water electrolysis using an alkaline aqueous solution as an electrolyte. The same applies to the diaphragms for alkaline water electrolysis produced by the production method (1) according to embodiment 3 and the production method (2) according to embodiment 4 of the present invention.
以下に、これらの本発明のアルカリ水電解用隔膜を使用した電解装置と電解方法について説明する。なお、下記に説明される電解装置、電解方法は、実施形態1にかかるアルカリ水電解用隔膜を用いた場合に限定されず、実施形態5、6の各アルカリ水電解用隔膜を用いた場合にも、実施形態3,4にかかる製造方法により製造される各アルカリ水電解用隔膜を用いる場合にもそのまま適用できる。 The electrolysis apparatus and electrolysis method using these diaphragms for alkaline water electrolysis of the present invention are described below. The electrolysis apparatus and electrolysis method described below are not limited to the case where the diaphragm for alkaline water electrolysis according to embodiment 1 is used, but can be directly applied to the case where the diaphragm for alkaline water electrolysis according to embodiments 5 and 6 is used, and to the case where the diaphragm for alkaline water electrolysis produced by the production method according to embodiments 3 and 4 is used.
(電解装置)
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、陽極と陰極の間に配置された上記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、上記アルカリ水電解装置は、上記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備えた電解槽を有する。
(Electrolysis device)
The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is used as a component of an alkaline water electrolysis apparatus. The alkaline water electrolysis apparatus may, for example, include an anode, a cathode, and the diaphragm for alkaline water electrolysis disposed between the anode and the cathode. More specifically, the alkaline water electrolysis apparatus has an electrolytic cell including an anode chamber in which the anode is present, and a cathode chamber in which the cathode is present, separated by the diaphragm for alkaline water electrolysis.
上記アルカリ水電解用隔膜は、陽極又は陰極と接するように設置されることが好ましく、陽極及び陰極と接するように設置されることがより好ましい。電極間の距離がより小さくなると、電気抵抗がより小さくなり、電解装置の電解効率をより高くすることができる。本発明のアルカリ水電解用隔膜は、電極間の距離が極力小さくなるよう、隔膜と各電極とが接するように設置した、いわゆる「ゼロギャップ構造」の電解装置においても好適に使用することができる。 The alkaline water electrolysis diaphragm is preferably installed so as to be in contact with the anode or the cathode, and more preferably so as to be in contact with the anode and the cathode. The smaller the distance between the electrodes, the smaller the electrical resistance, and the higher the electrolysis efficiency of the electrolysis device. The alkaline water electrolysis diaphragm of the present invention can also be suitably used in an electrolysis device with a so-called "zero gap structure" in which the diaphragm is installed so as to be in contact with each electrode, so as to minimize the distance between the electrodes.
上記陽極、及び陰極としては、公知の電極であれば特に制限されず、例えば、銅、鉛、ニッケル、クロム、チタン、金、白金、鉄、これらの金属化合物、金属酸化物、及びこれらの金属の2種以上を含む合金等の公知の導電性基体を含む電極が挙げられる。上記電極は、上記導電性基体に触媒層が形成されたものであってもよい。上記触媒層は、特に制限されず、ニッケル、コバルト、パラジウム、イリジウム、又は白金等を含む金属化合物、金属酸化物、あるいは、合金等を含む、公知のものが挙げられる。上記電極の形状は、特に制限されず、シート状、棒状、角柱状等、公知の形状が挙げられるが、上記アルカリ水電解用隔膜との接触面積が大きく、電解装置の電解効率をより一層向上させることができる点で、シート状であることが好ましい。 The anode and cathode are not particularly limited as long as they are known electrodes, and examples thereof include electrodes containing known conductive substrates such as copper, lead, nickel, chromium, titanium, gold, platinum, iron, metal compounds thereof, metal oxides, and alloys containing two or more of these metals. The electrodes may be those having a catalyst layer formed on the conductive substrate. The catalyst layer is not particularly limited, and examples thereof include known ones including metal compounds, metal oxides, or alloys containing nickel, cobalt, palladium, iridium, platinum, etc. The shape of the electrodes is not particularly limited, and examples thereof include known shapes such as sheet, rod, and prism shapes, but a sheet shape is preferable in that it has a large contact area with the alkaline water electrolysis diaphragm and can further improve the electrolysis efficiency of the electrolysis device.
また、上記電解装置は、通常使用されるその他の部材を備えていてもよい。上記その他の部材としては、例えば、発生したガスと電解液を分離するための気液分離タンク、電解を安定して行うためのコンデンサー、ミストセパレーター等が挙げられる。 The electrolysis device may also include other commonly used components. Examples of the other components include a gas-liquid separation tank for separating the generated gas from the electrolyte, a condenser for stably performing electrolysis, and a mist separator.
(電解方法)
本発明のアルカリ水電解用隔膜を備えた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備えた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。
(Electrolysis method)
The method for electrolyzing water using an alkaline water electrolysis apparatus comprising the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is not particularly limited and can be performed by a known method. For example, water can be electrolyzed by filling an alkaline water electrolysis apparatus comprising the above-mentioned diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention with an electrolytic solution and applying a current in the electrolytic solution.
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好ましく用いられる。上記電解液における電解質の濃度は、特に制限されないが、電解効率がより一層高くなる点で、20~40質量%であることが好ましい。 As the electrolyte, an alkaline aqueous solution in which an electrolyte such as potassium hydroxide or sodium hydroxide is dissolved is preferably used. The concentration of the electrolyte in the electrolyte is not particularly limited, but is preferably 20 to 40% by mass in order to further increase the electrolysis efficiency.
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高くなりうる点で、50~120℃が好ましく、80~90℃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、通常0.2A/cm2以上、好ましくは0.3A/cm2以上である。印可する電流密度が高い方が、短時間に多くの水素ガス、酸素ガスを得ることができるため効率的に水素を生産できる。電解電圧は、約2Vとなるように、例えば1.5~2.5Vを越えない範囲で、電流密度が高くなるように調整されることが好ましい。 The temperature for electrolysis is preferably 50 to 120°C, more preferably 80 to 90°C, since this improves the ionic conductivity of the electrolyte and further increases the efficiency of electrolysis. The current application conditions can be performed under known conditions and methods, and are usually 0.2 A/cm2 or more, preferably 0.3 A/cm2 or more. The higher the applied current density, the more hydrogen gas and oxygen gas can be obtained in a short period of time, and hydrogen can be produced more efficiently. The electrolysis voltage is preferably adjusted so that the current density is high, to about 2 V, for example, within a range not exceeding 1.5 to 2.5 V.
電気分解を行う場合の圧力は、特に限定されない。常圧であってもよいし、加圧であってもよい。本発明のアルカリ水電解用隔膜は、隔膜の耐摩耗性に優れ、ガスバリア性が良好に維持されるものであるため、3MPa等の1MPa以上の高圧条件で電気分解を行う場合にも有用である。 The pressure at which electrolysis is carried out is not particularly limited. It may be normal pressure or pressurized pressure. The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention has excellent abrasion resistance and maintains good gas barrier properties, and is therefore useful when electrolysis is carried out under high pressure conditions of 1 MPa or more, such as 3 MPa.
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「質量部」を、「%」は「質量%」を意味するものとする。
実施例において、各評価は下記方法により行った。
The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples. In addition, unless otherwise specified, "parts" means "parts by mass" and "%" means "% by mass".
In the examples, each evaluation was carried out by the following methods.
<塗布用組成物の粘度(25℃)測定方法>
各実施例等で得られた塗布用組成物について、レオメーター(HAAKE社製レオスト6000)、プレートPP35Ti(D=35mm)を用いて、剪断速度500s-1にて30秒間処理してサンプルを均一化し、その後剪断なしで調温のため10秒間保持した後、剪断速度0から300s-1まで9分間で測定点1000点を取得した。得られたデータから0.1s-1、10s-1、250s-1とそれぞれについて最も近しい測定点前後5点で線形近似式を求め、そこから計算される値を0.1s-1、10s-1、250s-1のそれぞれにおける粘度(25℃)値とした。
<Method for measuring viscosity (25° C.) of coating composition>
The coating compositions obtained in each Example were treated for 30 seconds at a shear rate of 500 s -1 using a rheometer (HAAKE Corporation, Rheost 6000) and a PP35Ti plate (D = 35 mm) to homogenize the samples, and then held for 10 seconds without shearing to adjust the temperature, after which 1000 measurement points were obtained over 9 minutes at shear rates of 0 to 300 s -1 . From the obtained data, linear approximations were obtained at 5 points around the nearest measurement points for 0.1 s-1 , 10 s -1 , and 250 s -1 , and the values calculated from these were taken as the viscosity (25°C) values at 0.1 s -1 , 10 s -1 , and 250 s -1, respectively.
<膜厚の測定方法>
各実施例等で得られたアルカリ水電解用隔膜の厚さは、デジマチックマイクロメーター(ミツトヨ社製)を用いて測定した。任意10点を測定し、その平均値を膜厚とした。
<Method of measuring film thickness>
The thickness of the diaphragm for alkaline water electrolysis obtained in each Example was measured using a Digimatic Micrometer (manufactured by Mitutoyo Corporation). Measurements were taken at any 10 points, and the average value was defined as the membrane thickness.
<マクロボイド含有率の測定方法>
各実施例等で得られたアルカリ水電解用隔膜において、FE-SEM(日本電子社製、型番:JSM-7600F)測定により、該隔膜表面に垂直な断面の観察画像(断面観察画像)を得た。倍率は300倍とした。
得られた断面観察画像に対して、隔膜の最表面から深さ方向に60μmの範囲と、深さ方向と直交する方向に約400μmの範囲を測定領域とし、画像解析ソフト(ScionImage)を用いて、ボイド像を暗部、その他を明部として抽出した。抽出した各ボイド像について、長径(Lb)、短径(Ls)を求め、長径(Lb)が30μm以上のボイド像の個々の面積(S)を求め、それらの合計を求め、得られた合計面積をマクロボイドの総面積(Sy)とした。一方、上記測定領域の面積(St)を求め、(St)に対する(Sy)の割合(百分率)(Sy/St×100(%))を求めた。同様の操作を任意の5つの視野で実施し、その単純平均値を、測定した隔膜における、長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率とした。なお、上記長径(Lb)および短径(Ls)は、各ボイド像において、厚み方向長さ(Lt)および面方向長さ(Lf)を求め、(Lt)および(Lf)の内、大きい方を長径(Lb),小さい方を短径(Ls)とした。
ここで、厚み方向長さ(Lt)は、隔膜の厚み方向、すなわち、隔膜の表面に対して垂直方向における長さであり、具体的には、ボイド像における隔膜(多孔質膜)表面に最も近い点と、その反対側の表面に最も近い点との、隔膜の厚み方向(隔膜の表面に対して垂直方法)における距離を該ボイドの厚み方向長さ(Lt)とした。該ボイドの面積(S)を上記厚み方向長さ(Lt)で除した値を、そのボイド像の面方向長さ(Lf)とした。
<Method for measuring macrovoid content>
For the diaphragms for alkaline water electrolysis obtained in each Example, etc., an observation image of a cross section perpendicular to the diaphragm surface (cross-sectional observation image) was obtained by measurement with an FE-SEM (manufactured by JEOL Ltd., model number: JSM-7600F) at a magnification of 300x.
For the obtained cross-sectional observation image, a range of 60 μm from the outermost surface of the diaphragm in the depth direction and a range of about 400 μm in the direction perpendicular to the depth direction were set as measurement regions, and image analysis software (Scion Image) was used to extract void images as dark areas and other areas as bright areas. For each extracted void image, the major axis (Lb) and minor axis (Ls) were obtained, and the individual areas (S) of void images with a major axis (Lb) of 30 μm or more were obtained, and the sum of these areas was calculated, and the obtained total area was defined as the total area (Sy) of macrovoids. Meanwhile, the area (St) of the above measurement region was calculated, and the ratio (percentage) of (Sy) to (St) (Sy/St×100(%)) was calculated. The same operation was performed for any five visual fields, and the simple average value was defined as the content of macrovoids with a major axis of 30 μm or more in the measured diaphragm. The above-mentioned major axis (Lb) and minor axis (Ls) were determined by measuring the thickness direction length (Lt) and the plane direction length (Lf) of each void image, and the larger of (Lt) and (Lf) was designated as the major axis (Lb) and the smaller was designated as the minor axis (Ls).
Here, the thickness direction length (Lt) is the length in the thickness direction of the membrane, i.e., the direction perpendicular to the surface of the membrane, and specifically, the distance in the thickness direction of the membrane (perpendicular to the membrane surface) between the point in the void image closest to the membrane (porous membrane) surface and the point closest to the opposite surface was defined as the thickness direction length (Lt) of the void. The value obtained by dividing the area (S) of the void by the thickness direction length (Lt) was defined as the planar length (Lf) of the void image.
<膜抵抗>
(測定方法)
各実施例等で得られたアルカリ水電解用隔膜について、測定用の隔膜試料を2枚準備する。各隔膜試料を用いて、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)及び下記式により膜抵抗を算出する。隔膜試料2枚について上記測定を行い、得られた測定値(2点)の平均値を算出し、これを隔膜の膜抵抗とする。
[膜抵抗(Ωcm2)]=(Ra-Rb)×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
<透気度の測定方法>
各実施例等で得られたアルカリ水電解用隔膜について、王研式透気度試験機(旭精工社製、型番:EGBO)を用いて透気度を測定した。任意3点を測定し、その平均値を透気度とした。
<Membrane resistance>
(Measurement method)
For each diaphragm for alkaline water electrolysis obtained in each Example, two diaphragm samples for measurement are prepared. Cells formed using each diaphragm sample and having the following cell configuration are allowed to stand in a thermostatic bath at 25° C. for 30 minutes, and then AC impedance measurement is performed under the following measurement conditions, and the membrane resistance is calculated from the obtained intercept component (Ra) and the intercept component (Rb) when no measurement sample is placed in the cell, and using the following formula. The above measurement is performed on two diaphragm samples, and the average of the obtained measured values (at two points) is calculated, and this is defined as the membrane resistance of the diaphragm.
[Membrane resistance (Ωcm 2 )]=(Ra-Rb)×1.77
(Measurement conditions)
Cell configuration Working electrode: Ni plate Counter electrode: Ni plate Electrolyte: 30 mass% potassium hydroxide aqueous solution Sample pretreatment: Immersed in the above electrolyte overnight Effective measurement area: 1.77 cm2
AC impedance measurement conditions Applied voltage: 10 mV vs. open circuit voltage Frequency range: 100 kHz to 100 Hz
<Method of measuring air permeability>
The air permeability of the diaphragms for alkaline water electrolysis obtained in each Example was measured using an Oken air permeability tester (manufactured by Asahi Seiko Co., Ltd., model number: EGBO). Measurements were taken at any three points, and the average value was defined as the air permeability.
<単位膜厚あたりの透気度>
各実施例等で得られたアルカリ水電解用隔膜について、上記の方法で求めた、透気度、膜厚より、次式により、単位膜厚あたりの透気度(X)を算出した。
X=隔膜の透気度(秒)/隔膜の膜厚(μm)
<熱アルカリ耐久試験>
各実施例等で得られたアルカリ水電解用隔膜を3cm角に切り出し、これを試験片とした。この試験片2枚を、フッ素樹脂容器(PFA製)に入れ、30gの30%KOH水溶液に、90℃にて浸漬させた。浸漬24時間後と240時間後の隔膜を取り出し、室温にて膜抵抗を測定し、(240時間後の膜抵抗/24時間後の膜抵抗)を熱アルカリ耐久試験後の膜抵抗比として算出した。
<Air permeability per unit thickness>
For the diaphragms for alkaline water electrolysis obtained in each Example, etc., the air permeability (X) per unit membrane thickness was calculated according to the following formula from the air permeability and membrane thickness determined by the above-mentioned methods.
X = membrane air permeability (sec) / membrane thickness (μm)
<Hot alkali durability test>
The diaphragms for alkaline water electrolysis obtained in each Example were cut into 3 cm squares to prepare test pieces. Two of these test pieces were placed in a fluororesin container (made of PFA) and immersed in 30 g of a 30% KOH aqueous solution at 90° C. The diaphragms were removed after 24 hours and 240 hours of immersion, and the membrane resistance was measured at room temperature, and the membrane resistance ratio after the hot alkali durability test was calculated as (membrane resistance after 240 hours/membrane resistance after 24 hours).
<超音波試験の評価方法>
各実施例等で得られたアルカリ水電解用隔膜について、下記の超音波試験により、質量減少率を評価した。
(超音波試験)
各実施例等で得られたアルカリ水電解用隔膜について、5×5cmに切り出したものを隔膜試料とし、隔膜試料とイオン交換水6ccをチャック付ポリ袋(生産日本社製、ユニパックC-4)に入れて封止し、水槽を30℃に調温した超音波洗浄機(株式会社エスエヌディ製、型名:US-103、高周波出力:100w、発信周波数:38kHz)を用い、水槽中に1時間静置したのち、3分間超音波を照射した。
(超音波試験後の質量減少率)
上記超音波試験前後における隔膜試料のそれぞれの重さを精密天秤(エー・アンド・デイ社製、型番:GH-200)を用いて測定し、下記式により質量減少率を算出した。
質量減少率(%)=100-(超音波試験後の質量(g)/超音波試験前の質量(g)×100)
[実施例1]
(1.無機粒子分散液の調製)
水酸化マグネシウム(平均粒子径0.20μm、板状、アスペクト比6.21)とN-メチル-2-ピロリドン(富士フイルム和光純薬工業社製)を質量比1:1となるよう混合し、ジルコニアメディアボールを入れたポットミルにて、室温で6時間分散処理を行うことにより水酸化マグネシウム分散液を調製した。
<Evaluation method for ultrasonic testing>
For the diaphragms for alkaline water electrolysis obtained in each Example, the mass reduction rate was evaluated by the following ultrasonic test.
(Ultrasonic Testing)
The diaphragm for alkaline water electrolysis obtained in each Example was cut into a size of 5 × 5 cm to prepare a diaphragm sample. The diaphragm sample and 6 cc of ion exchanged water were placed in a plastic bag with a zipper (Unipack C-4, manufactured by Seisan Nippon Sha), sealed, and left to stand in a water tank for 1 hour and then irradiated with ultrasound for 3 minutes using an ultrasonic cleaner (manufactured by SND Corporation, model number: US-103, high frequency output: 100 W, transmission frequency: 38 kHz) with the water tank temperature adjusted to 30°C.
(Mass loss rate after ultrasonic testing)
The weight of each diaphragm sample before and after the ultrasonic test was measured using a precision balance (manufactured by A&D Co., Ltd., model number: GH-200), and the mass reduction rate was calculated according to the following formula.
Mass reduction rate (%) = 100 - (mass after ultrasonic test (g) / mass before ultrasonic test (g) x 100)
[Example 1]
(1. Preparation of Inorganic Particle Dispersion)
Magnesium hydroxide (average particle size 0.20 μm, plate-like, aspect ratio 6.21) and N-methyl-2-pyrrolidone (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) were mixed in a mass ratio of 1:1, and a dispersion treatment was carried out at room temperature for 6 hours in a pot mill containing zirconia media balls to prepare a magnesium hydroxide dispersion.
(2.塗布用組成物の調製)
上記で得られた水酸化マグネシウム分散液を用いて、固形分が51%、かつ、水酸化マグネシウム100質量部に対してポリスルホン樹脂(BASF社製、品番ウルトラゾーンS3010)(PSU)を40質量部になるように計量し、さらに塩化リチウム(富士フイルム和光純薬工業社製)を水酸化マグネシウム100質量%に対して0.1質量%加えることにより混合物を調製した。得られた混合物を自転公転ミキサー(シンキー社製、品番あわとり練太郎ARE-500)にて室温で1000rpmで約30分間混合することにより塗布用混合物(1)を得た。得られた塗布用組成物(1)の10s-1における粘度(25℃)は24000mPa・sであり、250s-1における粘度(25℃)は6000mPa・sであり、0.1s-1における粘度(25℃)は30万mPa・sであった。
(2. Preparation of Coating Composition)
Using the magnesium hydroxide dispersion obtained above, a polysulfone resin (manufactured by BASF, product number Ultrazone S3010) (PSU) was weighed out so that the solid content was 51% and 40 parts by mass per 100 parts by mass of magnesium hydroxide, and lithium chloride (manufactured by Fujifilm Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was further added in an amount of 0.1% by mass per 100% by mass of magnesium hydroxide to prepare a mixture. The obtained mixture was mixed at room temperature for about 30 minutes at 1000 rpm in a planetary centrifugal mixer (manufactured by Thinky Corporation, product number Awatori Rentaro ARE-500) to obtain a coating mixture (1). The viscosity (25°C) of the obtained coating composition (1) at 10 s -1 was 24,000 mPa·s, the viscosity (25°C) at 250 s -1 was 6,000 mPa·s, and the viscosity (25°C) at 0.1 s -1 was 300,000 mPa·s.
(3.膜の形成)
ポリフェニレンサルファイド不織布(膜厚130μm、目付60g/m2)上に、塗布用組成物(1)を剪断速度50s-1で塗布(塗布時粘度17000mPa・s)して含浸させた。その後、塗布用組成物(1)を含浸させた不織布を、室温にて5分間イオン交換水を満たした水槽に水浴させ、塗液を凝固させて膜を形成した。水浴後、得られた膜を、乾燥機にて80℃で、10分間乾燥し、不織布と水酸化マグネシウム及びポリスルホン樹脂を含む膜との複合体からなるアルカリ水電解用隔膜(1)を得た。得られたアルカリ水電解用隔膜(1)について、上述した方法で評価を行った。
膜厚は210μmであった。長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率は15%であり、単位膜厚当たりの透気度は1.1であった。熱アルカリ耐久試験前後の膜抵抗比は0.83であり、また超音波照射後の質量減少率は1.1%であった。
(3. Film Formation)
The coating composition (1) was applied to a polyphenylene sulfide nonwoven fabric (film thickness 130 μm, basis weight 60 g/m2) at a shear rate of 50 s -1 (viscosity at application 17000 mPa s) to impregnate the nonwoven fabric. Thereafter, the nonwoven fabric impregnated with the coating composition (1) was bathed in a water tank filled with ion exchanged water at room temperature for 5 minutes to solidify the coating liquid to form a membrane. After the water bath, the obtained membrane was dried in a dryer at 80°C for 10 minutes to obtain a diaphragm for alkaline water electrolysis (1) consisting of a composite of a nonwoven fabric and a membrane containing magnesium hydroxide and a polysulfone resin. The obtained diaphragm for alkaline water electrolysis (1) was evaluated by the method described above.
The membrane thickness was 210 μm. The content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more was 15%, and the air permeability per unit membrane thickness was 1.1. The membrane resistance ratio before and after the hot alkali durability test was 0.83, and the mass loss rate after ultrasonic irradiation was 1.1%.
[実施例2]
実施例1と同様にして塗布用組成物(1)と同様の塗布用組成物(2)を調製した。実施例1の(3.膜の形成)において、塗布用組成物(1)の代わりに塗布用組成物(2)を用い、水槽中の非溶媒をイオン交換水の代わりにイオン交換水50%N-メチルー2-ピロリドン50%の混合水溶液を用い、凝固後にイオン交換水中にて10分間静置したこと以外は同様にして隔膜(2)を作製した。得られた隔膜(2)の膜厚は195μmであった。長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率は6%であり、単位膜厚当たりの透気度は2.0であった。熱アルカリ耐久試験前後の膜抵抗比は0.91であり、また超音波照射後の質量減少率は0.9%であった。
[Example 2]
A coating composition (2) similar to the coating composition (1) was prepared in the same manner as in Example 1. A diaphragm (2) was produced in the same manner as in (3. Formation of film) of Example 1, except that the coating composition (2) was used instead of the coating composition (1), a mixed aqueous solution of 50% ion-exchanged water and 50% N-methyl-2-pyrrolidone was used instead of ion-exchanged water as the non-solvent in the water tank, and the film was allowed to stand in ion-exchanged water for 10 minutes after solidification. The film thickness of the obtained diaphragm (2) was 195 μm. The content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more was 6%, and the air permeability per unit film thickness was 2.0. The film resistance ratio before and after the hot alkali durability test was 0.91, and the mass reduction rate after ultrasonic irradiation was 0.9%.
[実施例3]
実施例1と同様にして塗布用組成物(1)と同様の塗布用組成物(3)を調製した。
実施例1の(3.膜の形成)において、塗布用組成物(1)の代わりに塗布用組成物(3)を用い、水槽中の非溶媒をイオン交換水の代わりにイオン交換水20%N-メチルー2-ピロリドン80%の混合水溶液を用い、凝固後にイオン交換水中にて10分間静置したこと以外は同様にして隔膜(3)を作製した。得られた隔膜(3)の膜厚は185μmであった。長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率は3%であり、単位膜厚当たりの透気度は2.5であった。熱アルカリ耐久試験前後の膜抵抗比は0.89であり、また超音波照射後の質量減少率は1.3%であった。
[Example 3]
In the same manner as in Example 1, a coating composition (3) similar to the coating composition (1) was prepared.
A diaphragm (3) was prepared in the same manner as in (3. Formation of membrane) of Example 1, except that the coating composition (1) was replaced with the coating composition (3), a mixed aqueous solution of 20% ion-exchanged water and 80% N-methyl-2-pyrrolidone was used instead of ion-exchanged water as the non-solvent in the water tank, and the membrane was allowed to stand in ion-exchanged water for 10 minutes after coagulation. The membrane (3) thus obtained had a thickness of 185 μm. The content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more was 3%, and the air permeability per unit membrane thickness was 2.5. The membrane resistance ratio before and after the hot alkali durability test was 0.89, and the mass reduction rate after ultrasonic irradiation was 1.3%.
[実施例4]
実施例1と同様にして塗布用組成物(1)と同様の塗布用組成物(4)を調製した。
実施例1の(3.膜の形成)において、塗布用組成物(1)の代わりに塗布用組成物(4)を用い、水槽中の非溶媒をイオン交換水の代わりにイオン交換水70%N-メチルー2-ピロリドン30%の混合水溶液を用い、剪断速度50s-1で塗布(塗布時粘度17000mPa・s)し、凝固後にイオン交換水中にて10分間静置したこと以外は同様にして隔膜(4)を作製した。得られた隔膜(4)の膜厚は200μmであった。長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率は13%であり、単位膜厚当たりの透気度は1.2であった。熱アルカリ耐久試験前後の膜抵抗比は0.84であり、また超音波照射後の質量減少率は0.8%であった。
[Example 4]
In the same manner as in Example 1, a coating composition (4) similar to the coating composition (1) was prepared.
A diaphragm (4) was prepared in the same manner as in (3. Formation of membrane) of Example 1, except that the coating composition (4) was used instead of the coating composition (1), a mixed aqueous solution of 70% ion-exchanged water and 30% N-methyl-2-pyrrolidone was used instead of ion-exchanged water as the non-solvent in the water tank, the coating was performed at a shear rate of 50 s (viscosity at coating: 17,000 mPa·s), and the membrane was allowed to stand in ion-exchanged water for 10 minutes after solidification. The membrane (4) thus obtained had a thickness of 200 μm. The content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more was 13%, and the air permeability per unit membrane thickness was 1.2. The membrane resistance ratio before and after the hot alkali durability test was 0.84, and the mass reduction rate after ultrasonic irradiation was 0.8%.
[実施例5]
実施例1の(1.無機粒子分散液の調整)において、水酸化マグネシウムに代わりに酸化ジルコニウム(第一稀元素化学工業社製、品番UEP)を使用し、(2.塗布用組成物の調製)において、固形分を48%に変更したこと以外は同様にして塗布用組成物(5)を調製した。実施例1における(3.膜の形成)において、塗布用組成物(1)の代わりに塗布用組成物(5)を用いる以外は同様にして隔膜(5)を作製した。得られた塗布用組成物(5)の10s-1における粘度(25℃)は19000mPa・sであり、250s-1における粘度(25℃)は6300mPa・sであり、0.1s-1における粘度(25℃)は25万mPa・sであった。得られた隔膜(5)の膜厚は205μmであった。長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率は38%であり、単位膜厚当たりの透気度は0.6であった。熱アルカリ耐久試験前後の膜抵抗比は0.78であり、また超音波照射後の質量減少率は1.4%であった。
[Example 5]
A coating composition (5) was prepared in the same manner as in Example 1 (1. Preparation of inorganic particle dispersion), except that zirconium oxide (manufactured by Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd., product number UEP) was used instead of magnesium hydroxide, and the solid content was changed to 48% in (2. Preparation of coating composition). A diaphragm (5) was produced in the same manner as in Example 1 (3. Formation of film), except that a coating composition (5) was used instead of the coating composition (1). The viscosity (25°C) of the obtained coating composition (5) at 10 s -1 was 19,000 mPa·s, the viscosity (25°C) at 250 s -1 was 6,300 mPa·s, and the viscosity (25°C) at 0.1 s -1 was 250,000 mPa·s. The thickness of the obtained diaphragm (5) was 205 μm. The content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more was 38%, the air permeability per unit thickness was 0.6, the membrane resistance ratio before and after the hot alkali durability test was 0.78, and the mass loss rate after ultrasonic irradiation was 1.4%.
[実施例6]
実施例1の(1.無機粒子分散液の調整)において、水酸化マグネシウムに代わりに酸化チタン(平均粒子径0.5μm)を使用し、(2.塗布用組成物の調製)において、固形分を48%に変更したこと以外は同様にして塗布用組成物(6)を調製した。次に実施例1における(3.膜の形成)において、塗布用組成物(1)の代わりに塗布用組成物(6)を用いる以外は同様にして隔膜(6)を作製した。得られた塗布用組成物(6)の10s-1における粘度(25℃)は20000mPa・sであり、250s-1における粘度(25℃)は6500mPa・sであり、0.1s-1における粘度(25℃)は27万mPa・sであった。得られた隔膜(6)の膜厚は225μmであった。長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率は26%であり、単位膜厚当たりの透気度は0.9であった。熱アルカリ耐久試験前後の膜抵抗比は0.81であり、また超音波照射後の質量減少率は1.5%であった。
[Example 6]
A coating composition (6) was prepared in the same manner as in Example 1 (1. Preparation of inorganic particle dispersion), except that titanium oxide (average particle diameter: 0.5 μm) was used instead of magnesium hydroxide, and the solid content was changed to 48% in (2. Preparation of coating composition). Next, a diaphragm (6) was produced in the same manner as in Example 1 (3. Formation of film), except that a coating composition (6) was used instead of the coating composition (1). The viscosity (25° C.) of the obtained coating composition (6) at 10 s −1 was 20,000 mPa·s, the viscosity (25° C.) at 250 s −1 was 6,500 mPa·s, and the viscosity (25° C.) at 0.1 s −1 was 270,000 mPa·s. The thickness of the obtained diaphragm (6) was 225 μm. The content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more was 26%, and the air permeability per unit film thickness was 0.9. The film resistance ratio before and after the hot alkali durability test was 0.81, and the mass loss rate after ultrasonic irradiation was 1.5%.
[実施例7]
実施例1の(2.塗布用組成物の調製)において、ポリスルホン樹脂が50質量部になるように変更したこと以外は同様にして塗布用組成物(7)を調製した。実施例1における(3.膜の形成)において、塗布用組成物(1)の代わりに塗布用組成物(7)を用いる以外は同様にして隔膜(7)を作製した。得られた塗布用組成物(7)の10s-1における粘度(25℃)は29000mPa・sであり、250s-1における粘度(25℃)は12000mPa・sであり、0.1s-1における粘度(25℃)は57万mPa・sであった。得られた隔膜(7)の膜厚は220μmであった。長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率は3%であり、単位膜厚当たりの透気度は2.4であった。熱アルカリ耐久試験前後の膜抵抗比は0.85であり、また超音波照射後の質量減少率は0.7%であった。
[Example 7]
A coating composition (7) was prepared in the same manner as in Example 1 (2. Preparation of coating composition), except that the amount of polysulfone resin was changed to 50 parts by mass. A diaphragm (7) was produced in the same manner as in Example 1 (3. Formation of membrane), except that the coating composition (1) was replaced with the coating composition (7). The viscosity (25°C) of the obtained coating composition (7) at 10 s -1 was 29,000 mPa·s, the viscosity (25°C) at 250 s -1 was 12,000 mPa·s, and the viscosity (25°C) at 0.1 s -1 was 570,000 mPa·s. The membrane (7) had a thickness of 220 μm. The content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more was 3%, and the air permeability per unit membrane was 2.4. The membrane resistance ratio before and after the hot alkali durability test was 0.85, and the mass reduction rate after ultrasonic irradiation was 0.7%.
[実施例8]
実施例1の(2.塗布用組成物塗液の調製)において、固形分が46%なるように変更したこと以外は同様にして塗布用組成物(8)を調製した。実施例1における(3.塗膜の形成)において、塗布用組成物(1)の代わりに塗布用組成物(8)を用いる以外は同様にして膜(8)を作製した。得られた塗布用組成物(8)の10s-1における粘度(25℃)は15000mPa・sであり、250s-1における粘度(25℃)は5300mPa・sであり、0.1s-1における粘度(25℃)は11万mPa・sであった。得られた隔膜(8)の膜厚は240μmであった。長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率は38%であり、単位膜厚当たりの透気度は0.6であった。熱アルカリ耐久試験前後の膜抵抗比は0.77であり、また超音波照射後の質量減少率は1.6%であった。
[Example 8]
A coating composition (8) was prepared in the same manner as in Example 1 (2. Preparation of coating liquid of coating composition), except that the solid content was changed to 46%. A film (8) was produced in the same manner as in Example 1 (3. Formation of coating film), except that the coating composition (1) was replaced with the coating composition (8). The viscosity (25°C) of the obtained coating composition (8) at 10s -1 was 15,000 mPa·s, the viscosity (25°C) at 250s -1 was 5,300 mPa·s, and the viscosity (25°C) at 0.1s -1 was 110,000 mPa·s. The thickness of the obtained diaphragm (8) was 240 μm. The content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more was 38%, and the air permeability per unit film thickness was 0.6. The film resistance ratio before and after the hot alkali durability test was 0.77, and the mass reduction rate after ultrasonic irradiation was 1.6%.
[比較例1]
実施例1の(2.塗布用組成物の調製)において、固形分が39%なるように変更したこと以外は同様にして塗布用組成物(c1)を調製した。実施例1における(3.塗膜の形成)において、塗布用組成物(1)の代わりに塗布用組成物(c1)を用いる以外は同様にして隔膜(c1)を作製した。得られた塗布用組成物(c1)の10s-1における粘度(25℃)は5500mPa・sであり、250s-1における粘度(25℃)は2800mPa・sであり、0.1s-1における粘度(25℃)は7万mPa・sであった。得られた隔膜(c1)の膜厚は260μmであった。長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率は45%であり、単位膜厚当たりの透気度は0.5であった。熱アルカリ耐久試験前後の膜抵抗比は0.61であり、また超音波照射後の質量減少率は2.2%であった。
[Comparative Example 1]
A coating composition (c1) was prepared in the same manner as in Example 1 (2. Preparation of coating composition), except that the solid content was changed to 39%. A diaphragm (c1) was produced in the same manner as in Example 1 (3. Formation of coating film), except that the coating composition (c1) was used instead of the coating composition (1). The viscosity (25°C) of the obtained coating composition (c1) at 10s -1 was 5,500 mPa·s, the viscosity (25°C) at 250s -1 was 2,800 mPa·s, and the viscosity (25°C) at 0.1s -1 was 70,000 mPa·s. The thickness of the obtained diaphragm (c1) was 260 μm. The content of macrovoids having a major axis of 30 μm or more was 45%, and the air permeability per unit thickness was 0.5. The film resistance ratio before and after the hot alkali durability test was 0.61, and the mass loss rate after ultrasonic irradiation was 2.2%.
以上より、実施例のアルカリ水電解用隔膜は、比較例のアルカリ水電解用隔膜と比較して、熱アルカリ溶液中での膜抵抗(イオン伝導性)の安定性に優れることが確認された。よって、実施例のアルカリ水電解用隔膜は、イオン伝導性が良好に維持され、長期間安定性して高純度の水素ガスを製造することができると考えられる。 From the above, it was confirmed that the alkaline water electrolysis diaphragms of the Examples have superior stability of membrane resistance (ionic conductivity) in hot alkaline solutions compared to the alkaline water electrolysis diaphragms of the Comparative Examples. Therefore, it is considered that the alkaline water electrolysis diaphragms of the Examples maintain good ionic conductivity and can stably produce high-purity hydrogen gas for a long period of time.
Claims (3)
該有機ポリマーは、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種であり、
該無機粒子は、水酸化マグネシウム、水酸化ジルコニウム、水酸化チタン、酸化ジルコニウム及び酸化チタンからなる群より選択される少なくとも1種であるアルカリ水電解用隔膜であって、
該多孔質層は、該隔膜の少なくとも一方の表面を構成する層であり、該多孔質層の厚み方向の断面における、長径が30μm以上であるマクロボイドの含有率が40%以下であり、
下記式(1)で表されるXが0.6以上であり、
下記に示す熱アルカリ耐久試験を行った場合の下記式(2)で表される膜抵抗比が、0.7以上0.91以下であることを特徴とするアルカリ水電解用隔膜。
X=隔膜の透気度(秒)/隔膜の膜厚(μm) (1)。
膜抵抗比=浸漬240時間後の膜抵抗/浸漬24時間後の膜抵抗 (2)
(熱アルカリ耐久試験)
該アルカリ水電解用隔膜を30%KOH水溶液に浸漬し、90℃で保持し、浸漬24時間後と240時間後とのそれぞれにおいて、該アルカリ水電解用隔膜を室温にて膜抵抗を測定する。 A porous layer including an organic polymer and inorganic particles ,
the organic polymer is at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, and polyphenylsulfone;
the inorganic particles are at least one type selected from the group consisting of magnesium hydroxide, zirconium hydroxide, titanium hydroxide, zirconium oxide, and titanium oxide ,
the porous layer is a layer that constitutes at least one surface of the diaphragm, and the content of macrovoids having a major axis of 30 µm or more in a cross section in the thickness direction of the porous layer is 40% or less,
X represented by the following formula (1) is 0.6 or more,
A diaphragm for alkaline water electrolysis, characterized in that when subjected to a hot alkaline durability test described below, it has a membrane resistance ratio represented by the following formula (2) of 0.7 or more and 0.91 or less:
X = membrane air permeability (sec) / membrane thickness (μm) (1).
Membrane resistance ratio = membrane resistance after 240 hours of immersion / membrane resistance after 24 hours of immersion (2)
(Hot alkali durability test)
The diaphragm for alkaline water electrolysis is immersed in a 30% KOH aqueous solution and maintained at 90°C. The membrane resistance of the diaphragm for alkaline water electrolysis is measured at room temperature 24 hours and 240 hours after immersion.
有機ポリマーおよび無機粒子を含み、剪断速度10s-1における粘度(25℃)が30000mPa・s以下であり、かつ剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である組成物を用いることを特徴とするアルカリ水電解用隔膜の製造方法。 A method for producing the diaphragm for alkaline water electrolysis according to claim 1, comprising the steps of:
A method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis, comprising using a composition which contains an organic polymer and inorganic particles and has a viscosity (25°C) of 30,000 mPa s or less at a shear rate of 10 s -1 and a viscosity (25°C) of 100,000 mPa s or more at a shear rate of 0.1 s -1 .
有機ポリマーおよび無機粒子を含み、剪断速度0.1s-1における粘度(25℃)が100000mPa・s以上である組成物を用い、該組成物の粘度が30000mPa・s以下となる剪断速度で該組成物を塗布する工程を含むことを特徴とするアルカリ水電解用隔膜の製造方法。 A method for producing the diaphragm for alkaline water electrolysis according to claim 1, comprising the steps of:
A method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis, comprising a step of using a composition which contains an organic polymer and inorganic particles and has a viscosity (25°C) of 100,000 mPa s or more at a shear rate of 0.1 s -1 , and applying the composition at a shear rate such that the viscosity of the composition is 30,000 mPa s or less.
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