JP2019065349A - Alkaline water electrolysis diaphragm and production method thereof, and bipolar-type electrolytic bath - Google Patents

Alkaline water electrolysis diaphragm and production method thereof, and bipolar-type electrolytic bath Download PDF

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Abstract

To provide a large-scale industrial water electrolytic bath for enabling hydrogen production with high efficiency keeping a low cell voltage for a long period of time, in which a diaphragm can be obtained with highly long-term-stable ion conductivity, gas barrier property, and mechanical strength.SOLUTION: An alkaline water electrolysis diaphragm, a production method of the alkaline water electrolysis diaphragm, and a bipolar-type electrolytic bath for alkaline water electrolysis comprise a porous polymer film including at least one kind of polymeric resin fibers and an inorganic compound. The polymeric resin fiber at least comprises a fiber (A) with a fiber diameter ranging from 0.1 μm or more to less than 5.0 μm and a fiber (B) with a fiber diameter between 5.0 μm and 100 μm. The 100 mass% of the polymeric resin fiber includes 20 mass% to 80 mass% of the fiber (A) and 20 mass% to 80 mass% of the fiber (B). The content of the inorganic compound is between 50 mass% and 90 mass% against the total 100 mass% of the fiber (A), the fiber (B), and the inorganic compound.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、高分子樹脂繊維と無機化合物を含む高分子多孔膜とで構成されるアルカリ水電解用隔膜及びその製造方法、それを用いたアルカリ水電解用複極式電解槽に関する。   The present invention relates to a diaphragm for alkaline water electrolysis comprising a polymeric resin fiber and a porous polymer membrane containing an inorganic compound, a method for producing the same, and a bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis using the same.

隔膜は濃縮、精製、濾過、透析など様々な分野で利用されており、その素材、孔径、厚みなどを最適化する為、開発が盛んに行われている。また、近年は目的ごとにさらなる高性能化や機能特化を目指して、特に、燃料電池や再生可能エネルギーなどの新エネルギー分野やリチウムイオン二次電池等の蓄電池分野では、安全性と性能を両立する隔膜の需要が日に日に高まっている。とりわけ広い温度、圧力、pHの範囲でも使用できる隔膜の開発要求は非常に高い。   The diaphragm is used in various fields such as concentration, purification, filtration, and dialysis, and development is actively conducted to optimize the material, the pore size, the thickness, and the like. In addition, in recent years, aiming at further performance improvement and specialization of functions for each purpose, in particular, in new energy fields such as fuel cells and renewable energy, and storage batteries such as lithium ion secondary batteries, both safety and performance are compatible. The demand for diaphragms is growing day by day. The development requirements of the diaphragm which can be used especially over a wide temperature, pressure and pH range are very high.

水素は、石油精製、化学合成材料、金属精製、定置用燃料電池等、工業的に広く利用されている。近年は、燃料電池車(FCV)向けの水素ステーションやスマートコミュニティ、水素発電所等における利用の可能性も広がっている。さらに、再生可能エネルギーの導入が進むにつれて、電力網の需給バランスを維持する必要が出てきたため、大容量の電力を長期間貯められる水素ストレージのニーズも高まっている。かかる観点から、高純度の水素の製造技術に注目が集まっている。   Hydrogen is widely used industrially, such as petroleum refining, chemically synthesized materials, metal refining, stationary fuel cells and the like. In recent years, the possibility of use in hydrogen stations for fuel cell vehicles (FCVs), smart communities, hydrogen power plants, etc. has also expanded. Furthermore, as the introduction of renewable energy progresses, the need to maintain the balance between supply and demand of the power network has been increased, and the need for hydrogen storage capable of storing a large amount of power for a long time is also increasing. From this point of view, attention has been focused on high purity hydrogen production techniques.

水素の工業的な製造方法の一つとして、水の電気分解がある。この方法は、化石燃料を改質する水素の製造方法に比べ、高純度の水素が得られるという利点がある。水の電気分解では、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の電解質を添加した水溶液を、電解液として用いることが一般的である。この電解液に、陰極と陽極によって直流電流を印加することで、水を電気分解する。   One of the industrial methods for producing hydrogen is the electrolysis of water. This method has the advantage that hydrogen of high purity can be obtained compared to the method of producing hydrogen for reforming fossil fuels. In the electrolysis of water, it is common to use an aqueous solution to which an electrolyte such as sodium hydroxide or potassium hydroxide is added as an electrolytic solution in order to enhance conductivity. Water is electrolyzed by applying a direct current to the electrolyte with a cathode and an anode.

電気分解(以下、単に「電解」という場合がある。)を行うための電解槽は、隔膜を介して陽極室と陰極室に仕切られている。陽極室では酸素ガスが生成し、陰極室では水素ガスが生成する。隔膜には、この酸素ガスと水素ガスが混合しないように、ガス遮断性が求められる。   An electrolytic cell for performing electrolysis (hereinafter sometimes simply referred to as “electrolysis”) is partitioned into an anode chamber and a cathode chamber via a diaphragm. Oxygen gas is generated in the anode chamber and hydrogen gas is generated in the cathode chamber. The diaphragm is required to have a gas barrier property so that the oxygen gas and the hydrogen gas are not mixed.

水の電気分解において電気(電子)を運ぶ媒体はイオンである。そのため、電気分解を効率よく行うために、隔膜には、高いイオン透過性が求められる。かかる観点から、特許文献1では高いイオン透過性を発現する隔膜として、微多孔膜構造を有する隔膜が考えられている。   The medium that carries electricity (electrons) in the electrolysis of water is ions. Therefore, in order to perform electrolysis efficiently, high ion permeability is calculated | required by the diaphragm. From this point of view, in Patent Document 1, a diaphragm having a microporous film structure is considered as a diaphragm that exhibits high ion permeability.

加えて、電気分解を長期間効率よく安定して行うために、電解槽を構成する陽極、陰極、及び隔膜には物理的、及び化学的安定性が求められる。かかる観点から、隔膜は耐久性に優れた材料を用いて、ガス遮断性と高いイオン透過性を両立することが求められる。   In addition, in order to carry out electrolysis efficiently and stably for a long period of time, physical and chemical stability are required for the anode, the cathode and the diaphragm constituting the electrolytic cell. From this point of view, it is required that the diaphragm be made of a highly durable material and have both gas barrier properties and high ion permeability.

また、物理的、及び化学的安定性が高い材料として、ポリフェニレンサルファイドがアルカリ水電解用の基材や隔膜材料として用いられることがあり、特許文献2においては、親水性付与の為に表面へプラズマ処理等がなされているが、高温アルカリ環境下では表面に形成された親水基が分解される恐れがある。また、特許文献3では、隔膜の強度を持たせる為に平織物が用いられているが、大面積化や大量生産が困難である。   In addition, polyphenylene sulfide may be used as a substrate or diaphragm material for alkaline water electrolysis as a material having high physical and chemical stability, and in Patent Document 2, plasma is applied to the surface to impart hydrophilicity. Although processing etc. are performed, there is a possibility that the hydrophilic group formed on the surface may be decomposed under high temperature alkaline environment. Moreover, in patent document 3, although plain weave fabric is used in order to give the intensity | strength of a diaphragm, a large area-ization and mass production are difficult.

国際公開第2013/183584号International Publication No. 2013/183584 特開2016−89197号公報JP, 2016-89197, A 特開2014−152407号公報JP, 2014-152407, A

さらに、本発明者が鋭意検討した結果、難溶解性のポリマーの高分子樹脂繊維を抄紙する不織布作成技術を適用し、高分子樹脂繊維不織布をアルカリ水電解用隔膜として用いる場合、疎水性が継時的に強くなり気泡が付着することでイオン導電性が低くなる課題を見出した。さらに繊維の極細化によって機械強度が減少し、ハンドリングの際や長期運転時において膜破れやピンホールが発生するという課題があった。   Furthermore, as a result of intensive investigations conducted by the present inventor, when using a non-woven fabric forming technology for making a polymer resin fiber of a hardly soluble polymer and applying the polymer resin fiber non-woven fabric as a diaphragm for alkaline water electrolysis, We found a problem that the ion conductivity becomes low due to the fact that it becomes stronger temporally and bubbles are attached. Furthermore, there is a problem that mechanical strength is reduced by extremely thinning fibers, and membrane breakage and pinholes occur during handling and long-term operation.

アルカリ水電解用隔膜には、高イオン導電性と高ガスバリア性及び高機械強度を両立することが求められ、形態としてはイオン交換膜と多孔膜に大別される。高い導電性を出すためには、電解液の高電導度を直接利用できる多孔膜が優れているが、ガスバリア性と両立するためには多孔膜の孔径をサブミクロンサイズで精密に制御しなければならない。   A diaphragm for alkaline water electrolysis is required to simultaneously achieve high ion conductivity, high gas barrier property and high mechanical strength, and the form is roughly classified into an ion exchange membrane and a porous membrane. In order to obtain high conductivity, the porous film which can directly use the high conductivity of the electrolyte is excellent, but in order to be compatible with the gas barrier property, the pore diameter of the porous film must be precisely controlled in the submicron size. It does not.

一方、高い電解性能が期待できる高濃度・高アルカリ環境で使用できる高分子は、耐加水分解性が高いPTFEやPPSに限られ、このような難溶解性のポリマーで多孔膜の細孔を制御することは容易ではない。難溶解性のポリマーの高分子樹脂繊維を抄紙する不織布作成技術を適用し、高分子樹脂繊維不織布をアルカリ水電解用隔膜として用いる場合、疎水性が継時的に強くなり気泡が付着することでイオン導電性が低くなる課題を見出した。さらに繊維の極細化によって機械強度が減少し、ハンドリングの際や長期運転時において膜破れやピンホールが発生するという課題があった。   On the other hand, polymers that can be used in high concentration and high alkali environments where high electrolytic performance can be expected are limited to PTFE and PPS with high hydrolysis resistance, and such poorly soluble polymers control the pores of the porous film It is not easy to do. When using non-woven fabric making technology to make polymer resin fiber of poorly soluble polymer and using polymer resin fiber non-woven fabric as diaphragm for alkaline water electrolysis, hydrophobicity becomes stronger over time and bubbles adhere. The subject which ion conductivity becomes low was discovered. Furthermore, there is a problem that mechanical strength is reduced by extremely thinning fibers, and membrane breakage and pinholes occur during handling and long-term operation.

本発明は、上記した問題に鑑みなされたものであり、長期間安定して高いイオン伝導性とガスバリア性・機械強度を有する隔膜を得ることを目的とし、長期に亘り低いセル電圧を保ったまま高効率で水素製造を可能とする大型の工業用水電解槽を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and aims to obtain a diaphragm having high ion conductivity and gas barrier properties and mechanical strength stably for a long time, and keeping a low cell voltage for a long time An object of the present invention is to provide a large industrial water electrolytic cell that enables hydrogen production with high efficiency.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、適切な繊維径を有する細い高分子樹脂繊維と太い高分子樹脂繊維とを適切な割合で含有させ、さらに無機化合物を適切な割合で含有させることにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。   As a result of intensive studies to solve the above problems, the present inventors contain thin polymer resin fibers having a suitable fiber diameter and thick polymer resin fibers in an appropriate ratio, and further contain an inorganic compound. It has been found that the above problems can be solved by incorporating it in an appropriate ratio, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は、以下のとおりである。
[1]
少なくとも1種類の高分子樹脂繊維と、無機化合物とを含む高分子多孔膜で構成され、
前記高分子樹脂繊維が、少なくとも、0.1μm以上5μm未満の範囲の繊維径を有する高分子樹脂繊維(A)と、5.0μm以上100μm以下の範囲の繊維径を有する高分子樹脂繊維(B)とで構成されており、前記高分子樹脂繊維100質量%に対して、前記高分子樹脂繊維(A)を20質量%〜80質量%、前記高分子樹脂繊維(B)を20質量%〜80質量%有し、
前記無機化合物の含有量が、前記高分子樹脂繊維(A)及び前記高分子樹脂繊維(B)と前記無機化合物との合計量100質量%に対して50質量%〜90質量%含む
ことを特徴とする、アルカリ水電解用隔膜。
[2]
前記無機化合物が、親水性無機粒子である、[1]のアルカリ水電解用隔膜。
[3]
前記高分子樹脂繊維(A)の平均繊維径(Da)と、前記親水性無機粒子の平均一次粒径(Di)との比(Di/Da)が0.05〜3の範囲である、[2]に記載のアルカリ水電解用隔膜。
[4]
気孔率が30%以上90%以下であり、最大孔径が0.2μm以上2μm以下である、[1]〜[3]のいずれかのアルカリ水電解用隔膜
[5]
前記高分子樹脂繊維が、ポリフェニレンサルファイドであり、前記高分子多孔膜の膜厚が100μm以上500μm以下である、[1]〜[4]のいずれかのアルカリ水電解用隔膜。
[6]
前記高分子樹脂繊維の一部が、前記高分子樹脂繊維と結着している、[5]に記載のアルカリ水電解用隔膜。
[7]
前記無機化合物が、少なくともジルコニウムを含む、[1]〜[6]のいずれかのアルカリ水電解用隔膜。
[8]
前記高分子多孔膜が、さらに多孔性支持体を含む、[1]〜[7]のいずれかのアルカリ水電解用隔膜。
[9]
前記多孔性支持体が、メッシュ、不織布、織布、及び不織布と前記不織布に内在する織布とを含む複合布からなる群より選ばれるいずれか1種である、[8]のアルカリ水電解用隔膜。
[10]
前記多孔性支持体が、ポリフェニレンサルファイドを含む、[8]又は[9]に記載のアルカリ水電解用隔膜。
[11]
[1]〜[10]のいずれかのアルカリ水電解用隔膜を備え、
陰極及び陽極を含む複数の複極式エレメントが、前記アルカリ水電解用隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記アルカリ水電解用隔膜が前記陰極及び前記陽極と接触してゼロギャップ構造が形成されている
ことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解槽。
[12]
(A)前記高分子樹脂繊維と前記親水性無機粒子とを70:30〜30:70の体積比で含むスラリーを300〜1000g/m2の目付で湿式抄紙することによりウェブを形成する工程、
(B)前記工程(A)で得られた前記ウェブを60℃〜90℃で乾燥した後、120℃〜260℃、30MPa〜70MPaの条件でホットプレスする工程、
を含む、[1]〜[10]のいずれかのアルカリ水電解用隔膜の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
[1]
It is composed of a porous polymer membrane containing at least one type of polymer resin fiber and an inorganic compound,
The polymer resin fiber (A) having a fiber diameter of at least 0.1 μm to less than 5 μm, and a polymer resin fiber having a fiber diameter of 5.0 μm to 100 μm (B) 20% by mass to 80% by mass of the polymer resin fiber (A) and 20% by mass to 20% by mass of the polymer resin fiber (B) with respect to 100% by mass of the polymer resin fiber 80% by mass,
The content of the inorganic compound is 50% by mass to 90% by mass with respect to 100% by mass of the total amount of the polymer resin fiber (A) and the polymer resin fiber (B) and the inorganic compound. A diaphragm for alkaline water electrolysis.
[2]
The diaphragm for alkaline water electrolysis of [1], wherein the inorganic compound is a hydrophilic inorganic particle.
[3]
The ratio (Di / Da) of the average fiber diameter (Da) of the polymer resin fiber (A) to the average primary particle diameter (Di) of the hydrophilic inorganic particles is in the range of 0.05 to 3 [ The diaphragm for alkaline water electrolysis as described in 2].
[4]
A diaphragm for alkaline water electrolysis according to any one of [1] to [3], which has a porosity of 30% to 90% and a maximum pore size of 0.2 μm to 2 μm.
The diaphragm for alkaline water electrolysis in any one of [1]-[4] whose said polymeric resin fiber is a polyphenylene sulfide and whose film thickness of the said polymeric porous film is 100 to 500 micrometer.
[6]
[5] The diaphragm for alkaline water electrolysis according to [5], wherein a part of the polymer resin fiber is bound to the polymer resin fiber.
[7]
The diaphragm for alkaline water electrolysis in any one of [1]-[6] in which the said inorganic compound contains a zirconium at least.
[8]
The diaphragm for alkaline water electrolysis in any one of [1]-[7] in which the said polymeric porous membrane further contains a porous support body.
[9]
[8] for alkaline water electrolysis, wherein the porous support is any one selected from the group consisting of a mesh, a non-woven fabric, a woven fabric, and a composite fabric comprising a non-woven fabric and a woven fabric inherent to the non-woven fabric. diaphragm.
[10]
The diaphragm for alkaline water electrolysis as described in [8] or [9] in which the said porous support body contains polyphenylene sulfide.
[11]
Equipped with the alkaline water electrolysis diaphragm according to any one of [1] to [10];
A plurality of bipolar elements including a cathode and an anode are stacked with the alkaline water electrolysis diaphragm interposed therebetween,
A bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis, wherein the alkaline water electrolysis diaphragm is in contact with the cathode and the anode to form a zero gap structure.
[12]
(A) a step of forming a web by wet papermaking with a fabric weight of 300 to 1000 g / m 2 of a slurry containing the polymer resin fiber and the hydrophilic inorganic particles at a volume ratio of 70:30 to 30:70,
(B) a step of drying the web obtained in the step (A) at 60 ° C. to 90 ° C. and then hot pressing it under conditions of 120 ° C. to 260 ° C., 30 MPa to 70 MPa;
The manufacturing method of the diaphragm for alkaline water electrolysis in any one of [1]-[10] including

多孔膜の孔径制御を目的とした細い高分子樹脂繊維と無機化合物とによって、高イオン導電率と高ガス遮断性とを両立したアルカリ水電解用隔膜を提供することができ、さらに、引っ張り破断強度向上を目的とした太い高分子樹脂繊維を含有させて長期運転時における膜破れやピンホールの形成を抑制することができる。本発明によれば、長期に亘り低いセル電圧を保ったまま高効率で水素製造を可能とする大型の工業用水電解槽を提供することができる。また、大面積化が容易で、大型のアルカリ水電解槽用の隔膜工業的に提供することができる。   By using a thin polymer resin fiber and an inorganic compound for the purpose of controlling the pore diameter of the porous film, it is possible to provide a diaphragm for alkaline water electrolysis in which high ion conductivity and high gas barrier property are compatible, and further, tensile breaking strength By including a thick polymer resin fiber for the purpose of improvement, it is possible to suppress the formation of film breakage and pinholes during long-term operation. According to the present invention, it is possible to provide a large-scale industrial water electrolytic cell that enables hydrogen production with high efficiency while maintaining a low cell voltage for a long time. In addition, it is easy to increase the area, and it can be industrially provided as a diaphragm for a large alkaline water electrolytic cell.

本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の全体について示す側面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a side view shown about the whole of an example of the bipolar | dipolar type electrolytic vessel for alkaline water electrolysis of this embodiment. 本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例のゼロギャップ構造を(A)に示す破線四角枠の部分について示す側面図である。It is a side view which shows the zero gap structure of an example of the bipolar type electrolytic cell for alkaline water electrolysis of this embodiment about the part of the dashed-lined square frame shown to (A). 本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の電極室部分について示す平面図である。It is a top view shown about the electrode chamber part of an example of the bipolar electrolytic bath for alkaline water electrolysis of this embodiment. 本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例を備えるアルカリ水電解装置の概要を示す図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows the outline | summary of an alkaline water electrolysis apparatus provided with an example of the bipolar | dipolar type electrolytic vessel for alkaline water electrolysis of this embodiment. 実施例7で作製した膜の表面SEM像を示す写真である。図中の実線で囲まれている箇所が、バインダー繊維がつぶれて繊維同士が結着している箇所であり、図中の破線で囲まれている箇所が繊維同士は結着していない箇所である。It is a photograph which shows the surface SEM image of the film | membrane produced in Example 7. FIG. The portion surrounded by the solid line in the figure is the portion where the binder fiber is crushed and the fibers are bound, and the portion surrounded by the broken line in the figure is the portion where the fibers are not bound is there.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. The present invention is not limited to the following embodiments, and can be variously modified and implemented within the scope of the invention.

(アルカリ水電解用隔膜)
(高分子多孔膜)
本実施形態のアルカリ水電解用隔膜は、少なくとも1種類の高分子樹脂繊維と、無機化合物とを含む高分子多孔膜で構成される。
高分子樹脂繊維は、少なくとも0.1μm以上5μm未満の範囲の繊維径を有する高分子樹脂繊維(A)と、5.0μm以上100μm以下の範囲の繊維径を有する高分子樹脂繊維(B)とで構成されている。ここで、前記高分子樹脂繊維100質量%に対して、高分子樹脂繊維(A)を20質量%〜80質量%、高分子樹脂繊維(B)を20質量%〜80質量%有する。
高分子多孔膜は、無機化合物を、高分子樹脂繊維(A)及び高分子樹脂繊維(B)と無機化合物との合計量100質量%に対して50質量%〜90質量%含む。
(Separator for alkaline water electrolysis)
(Polymer porous membrane)
The membrane for alkaline water electrolysis of the present embodiment is formed of a porous polymer membrane containing at least one type of polymer resin fiber and an inorganic compound.
The polymer resin fiber comprises a polymer resin fiber (A) having a fiber diameter of at least 0.1 μm to less than 5 μm, and a polymer resin fiber (B) having a fiber diameter of 5.0 μm to 100 μm. It consists of Here, 20% by mass to 80% by mass of the polymer resin fiber (A) and 20% by mass to 80% by mass of the polymer resin fiber (B) with respect to 100% by mass of the polymer resin fiber.
The polymeric porous film contains the inorganic compound in an amount of 50% by mass to 90% by mass based on 100% by mass of the total amount of the polymer resin fiber (A) and the polymer resin fiber (B) and the inorganic compound.

((高分子樹脂繊維))
本実施形態のアルカリ水電解用隔膜を形成する高分子樹脂繊維は、細孔制御や無機化合物の担持を担う細い径を持つ繊維(A)と、機械強度や繊維(A)の担持を担う太い径を持つ繊維(B)とを含むことが第一の特徴である。
高分子樹脂繊維(A)の繊維径は、0.1μm以上5.0μm未満の範囲のものである。0.1μm以上であれば、高いイオンの透過性を実現することができ、また、後述する無機化合物の担持力が高く、長期に渡って親水性を保持し易い。5.0μm以下であれば、高ガス遮断性を実現することができる。
一方、繊維(B)の繊維径は、5.0μm以上100μm以下の範囲のものである。5.0μm以上であれば、十分な機械強度を得ることができ、100μm以下であれば、多孔膜を薄膜化することで高いイオンの透過性を実現することができ、また繊維(A)の担持力が高まり、長期に渡って多孔構造を維持することができる。
また、高分子樹脂繊維(A)と高分子樹脂繊維(B)との含有割合は、高分子樹脂繊維100質量%に対して、繊維(A)が20質量%〜80質量%、繊維(B)が20質量%〜80質量%であることが好ましく、高分子樹脂繊維100質量%に対して、繊維(A)が30質量%〜70質量%、繊維(B)が30質量%〜70質量%であることがより好ましい。含有割合がこの範囲であれば、イオン伝導性、ガスバリア性、機械強度を両立した隔膜を得ることが可能である。
なお、高分子樹脂繊維の繊維径は、X線CTを用いて測定することができ、繊維の断面積と等価な面積を与える円の直径として定義される。
((Polymer resin fiber))
The polymer resin fiber forming the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present embodiment is a thick fiber (A) having a thin diameter for controlling pore control and carrying of an inorganic compound, and a thick one for carrying mechanical strength and the fiber (A). The first feature is that the fiber (B) having a diameter is included.
The fiber diameter of the polymer resin fiber (A) is in the range of 0.1 μm to less than 5.0 μm. If it is 0.1 μm or more, high ion permeability can be realized, and the ability to support an inorganic compound described later is high, and hydrophilicity can be easily maintained for a long time. If it is 5.0 μm or less, high gas barrier property can be realized.
On the other hand, the fiber diameter of the fiber (B) is in the range of 5.0 μm to 100 μm. If it is 5.0 μm or more, sufficient mechanical strength can be obtained, and if it is 100 μm or less, high ion permeability can be realized by thinning the porous film, and the fiber (A) The loading capacity is increased, and the porous structure can be maintained for a long time.
Moreover, the content ratio of the polymer resin fiber (A) and the polymer resin fiber (B) is 20% by mass to 80% by mass of the fiber (A) with respect to 100% by mass of the polymer resin fiber, Is preferably 20% by mass to 80% by mass, and 30% by mass to 70% by mass of fiber (A) and 30% by mass to 70% by mass of fiber (B) with respect to 100% by mass of polymer resin fiber More preferably, it is%. If the content ratio is in this range, it is possible to obtain a diaphragm having both ion conductivity, gas barrier properties, and mechanical strength.
The fiber diameter of the polymer resin fiber can be measured using X-ray CT, and is defined as the diameter of a circle giving an area equivalent to the cross-sectional area of the fiber.

繊維(A)の平均繊維径(Da)は、0.2μm〜4.0μmの範囲であることが好ましく、0.2μm以上であれば、高いイオンの透過性を実現することができ、4.0μm以下であれば、高ガス遮断性を実現することができる。さらに好ましくは0.3μm〜3.0μmの範囲である。
一方、繊維(B)の平均繊維径は、10μm〜40μmの範囲であることが好ましく、10μm以上であれば、十分な機械強度を得ることができ、40μm以下であれば、多孔膜を薄膜化することで高いイオンの透過性を実現することができる。さらに好ましくは15μm〜35μmの範囲である。
The average fiber diameter (Da) of the fiber (A) is preferably in the range of 0.2 μm to 4.0 μm, and if it is 0.2 μm or more, high ion permeability can be realized; If it is 0 μm or less, high gas barrier property can be realized. More preferably, it is in the range of 0.3 μm to 3.0 μm.
On the other hand, the average fiber diameter of the fiber (B) is preferably in the range of 10 μm to 40 μm, and if it is 10 μm or more, sufficient mechanical strength can be obtained, and if it is 40 μm or less, the porous film is thinned. By doing this, high ion permeability can be realized. More preferably, it is in the range of 15 μm to 35 μm.

本実施形態の高分子樹脂繊維としては、耐加水分解性が高い、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)が望ましく、ポリフェニレンサルファイド(PPS)が特に好ましい。   As the polymer resin fiber of the present embodiment, polyphenylene sulfide (PPS), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer, which has high hydrolysis resistance Polymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) are preferred, and polyphenylene sulfide (PPS) is particularly preferred.

なお、高分子樹脂繊維の平均繊維径は、X線CTを用いて測定することができる。   The average fiber diameter of the polymer resin fiber can be measured using X-ray CT.

(((バインダー繊維)))
本実施形態の高分子樹脂繊維の一部は、高分子樹脂繊維と結着していることが必要である場合がある。高分子多孔膜の強度を高めるためには、高分子樹脂繊維はお互いに強く結着していることが好ましい。
但し、全体が結着してしまうと、細孔がつぶれてしまい、高分子多孔膜のイオン伝導度が低下してしまう。また、全く結着していないと、隔膜としての強度を保てない。一部分が結着していると、無機化合物を保持しながら細孔を形成することができ、強度とイオン伝導度のバランスが取れたアルカリ水電解用隔膜を提供することが可能となる。
バインダー繊維としては、非晶性PPS繊維が好ましい。バインダー繊維は、前述の高分子樹脂繊維(A)であっても高分子樹脂繊維(B)であってもよく、これらの混合物であってもよい。
通常、高分子多孔膜の結着性は、ホットメルト系やエマルジョン系等の接着剤又は接着用の熱可塑性繊維を用いることで達成されているが、高温高濃度アルカリ環境に耐性のある手法は限られている。その中で、高分子樹脂繊維のフィブリル化により結着性を高める方法や、ホットプレスによって高分子樹脂繊維同士を熱融着させる方法が有力である。もっとも好ましい方法は、非晶性PPS繊維を含有させ、ホットプレスする方法である。この場合、ホットプレスの温度は、130℃〜260℃が好ましく、圧力は5MPa〜50MPaが好ましい。
(((Binder fiber)))
Some of the polymer resin fibers of the present embodiment may need to be bound to the polymer resin fibers. In order to increase the strength of the polymeric porous film, it is preferable that the polymeric resin fibers be strongly bonded to each other.
However, when the whole is bound, the pores are crushed and the ion conductivity of the porous polymer membrane is lowered. Also, if it is not bound at all, the strength as a diaphragm can not be maintained. When a part is bound, it is possible to form pores while holding the inorganic compound, and it is possible to provide a diaphragm for alkaline water electrolysis in which strength and ion conductivity are well balanced.
As a binder fiber, amorphous PPS fiber is preferable. The binder fiber may be the above-mentioned polymer resin fiber (A) or polymer resin fiber (B), or a mixture thereof.
Usually, the binding properties of porous polymer membranes are achieved by using adhesives such as hot melt type and emulsion type or thermoplastic fibers for bonding, but the method that is resistant to high temperature and high concentration alkaline environment limited. Among them, a method of enhancing binding property by fibrillation of polymer resin fibers, and a method of heat-sealing polymer resin fibers by hot pressing are effective. The most preferable method is a method of containing amorphous PPS fiber and hot pressing. In this case, the temperature of the hot press is preferably 130 ° C. to 260 ° C., and the pressure is preferably 5 MPa to 50 MPa.

(((犠牲材)))
本実施形態の抄紙工程において犠牲材となる繊維を添加し、製膜した後に、前記犠牲材を選択的に除去させることによって、犠牲材が存在していた領域が空隙になり、気孔率を制御することができる。好ましい材料としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、ポリ乳酸、セルロース等の溶解性高分子樹脂繊維や、Si、Al23等の無機繊維が挙げられる。繊維径の小ささや、抄紙性、除去性の観点から、セルロースナノファイバー(CNF)が特に望ましい。除去する方法としては、他の構成材料に悪影響を与えないものであれば特に制限されない。具体的には、溶解、分解、溶融等を利用することができ、例えばセルロースを犠牲材に用いる場合は、強酸等で加水分解除去させることができる。
(((Sacrifice material)))
By adding fibers serving as a sacrificial material in the paper making process of the present embodiment and forming a film, by selectively removing the sacrificial material, the area where the sacrificial material was present becomes a void, and the porosity is controlled. can do. Preferred materials include soluble polymer resin fibers such as polypropylene, polyethylene, polyvinyl alcohol, polylactic acid, and cellulose, and inorganic fibers such as Si and Al 2 O 3 . Cellulose nanofibers (CNF) are particularly desirable from the viewpoint of small fiber diameter, papermaking properties, and removability. The method of removal is not particularly limited as long as it does not adversely affect other constituent materials. Specifically, dissolution, decomposition, melting and the like can be used. For example, when using cellulose as a sacrificial material, it can be removed by hydrolysis with a strong acid or the like.

本実施形態のアルカリ水電解用隔膜を形成する高分子多孔膜は、無機化合物を含むことが必要である。また、高分子多孔膜は、必要に応じて、さらに多孔性支持体を含む。   The porous polymer membrane forming the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present embodiment needs to contain an inorganic compound. In addition, the polymeric porous membrane further comprises a porous support, as necessary.

[無機化合物]
本実施形態において、隔膜は、高い電解液透過性、高いイオン透過性及び高いガス遮断性を発現するために、無機化合物を含有していなければならない。無機化合物は隔膜の表面に付着していても良いし、一部が多孔膜を構成する高分子材料に埋没していても良い。また無機化合物が隔膜の空隙部に内包されると、隔膜から脱離しにくくなり、隔膜の性能を長時間維持できる。
[Inorganic compounds]
In the present embodiment, the diaphragm must contain an inorganic compound in order to exhibit high electrolyte permeability, high ion permeability and high gas barrier properties. The inorganic compound may be attached to the surface of the membrane, or a part may be buried in the polymer material constituting the porous membrane. In addition, when the inorganic compound is contained in the gap of the diaphragm, it becomes difficult to be detached from the diaphragm, and the performance of the diaphragm can be maintained for a long time.

無機化合物としては、例えば、ジルコニウム、チタン、ビスマス、セリウムの酸化物又は水酸化物;周期律表第IV族元素の酸化物;周期律表第IV族元素の窒化物、及び周期律表第IV族元素の炭化物からなる群より選ばれる少なくとも1種の無機物が挙げられる。これらの中でも、化学的安定性の観点から、ジルコニウム、チタン、ビスマス、セリウムの酸化物、周期律表第IV族元素の酸化物が好ましく、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化チタン(TiO2)がより好ましい。これら無機化合物は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。無機化合物の表面は、極性を帯びている。水溶液である電解液内における、極性の小さな酸素分子や水素分子と、極性の大きな水分子との親和性等を踏まえると、極性の大きな水分子の方が無機化合物と吸着し易いとと考えられる。よって、このような無機化合物が膜表面に存在することで、膜表面には水分子が優先的に吸着し、酸素分子や水素分子等の気泡は膜表面に吸着しない。その結果、隔膜の表面への気泡の付着を効果的に抑制することができる。 Examples of inorganic compounds include zirconium, titanium, bismuth, oxides or hydroxides of cerium; oxides of group IV elements in the periodic table; nitrides of group IV elements in the periodic table, and periodic table IV And at least one inorganic substance selected from the group consisting of carbides of group elements. Among these, from the viewpoint of chemical stability, zirconium, titanium, bismuth, oxides of cerium, and oxides of periodic group IV elements are preferable, and zirconium oxide (ZrO 2 ) and titanium oxide (TiO 2 ) are preferable. More preferable. These inorganic compounds may be used alone or in combination of two or more. The surface of the inorganic compound is polar. Considering the affinity between the small polar oxygen molecule and hydrogen molecule and the large polar water molecule in the electrolyte solution, which is an aqueous solution, it is considered that the large polar water molecule is more likely to be adsorbed to the inorganic compound. . Therefore, when such an inorganic compound is present on the film surface, water molecules are preferentially adsorbed on the film surface, and bubbles such as oxygen molecules and hydrogen molecules are not adsorbed on the film surface. As a result, adhesion of air bubbles to the surface of the diaphragm can be effectively suppressed.

無機化合物の形態は、特に限定されるものではないが、高分子樹脂繊維を均一に覆うことができる点で、親水性無機粒子であることが特に好ましい。   The form of the inorganic compound is not particularly limited, but hydrophilic inorganic particles are particularly preferable in that they can uniformly cover the polymer resin fiber.

親水性無機粒子の平均一次粒径(Di)は、特に限定されないが、20.0nm以上300nm以下であることが好ましく、25.0nm以上250nm以下であることがより好ましい。親水性無機粒子の平均一次粒径(Di)が、この範囲であると、隔膜孔内に取り込まれた際、そこで凝集して形成される二次粒子の粒径が隔膜の孔径より大きくなり、隔膜から親水性無機粒子が脱落することを抑制できる。また、親水性無機粒子の二次粒子の表面積を増加させて、隔膜の細孔内を一層親水化することができる。また、隔膜から脱落した親水性無機粒子が、多孔体電極の細孔を閉塞することを防止して、過電圧の上昇を防止することができる。
隔膜中の親水性無機粒子の平均一次粒径(Di)は、次の方法で求めることができる。測定サンプルを膜表面の垂直方向から走査型電子顕微鏡(SEM)で観察し、親水性無機粒子が観察できる倍率で撮像した。その画像を、画像解析ソフトを用いて2値化し、凝集していない10点の無機粒子のそれぞれに対して絶対最大長を測定し、その個数平均を求める。
The average primary particle size (Di) of the hydrophilic inorganic particles is not particularly limited, but is preferably 20.0 nm or more and 300 nm or less, and more preferably 25.0 nm or more and 250 nm or less. When the average primary particle size (Di) of the hydrophilic inorganic particles is in this range, when incorporated into the diaphragm pores, the particle size of secondary particles formed by being aggregated there becomes larger than the pore diameter of the diaphragm, It is possible to prevent the hydrophilic inorganic particles from falling off from the diaphragm. In addition, the surface area of the secondary particles of the hydrophilic inorganic particles can be increased to make the pores of the membrane more hydrophilic. In addition, it is possible to prevent the hydrophilic inorganic particles dropped from the diaphragm from blocking the pores of the porous electrode, and to prevent an increase in overvoltage.
The average primary particle size (Di) of the hydrophilic inorganic particles in the diaphragm can be determined by the following method. The measurement sample was observed from the vertical direction of the film surface with a scanning electron microscope (SEM), and imaged at a magnification at which the hydrophilic inorganic particles can be observed. The image is binarized using image analysis software, the absolute maximum length is measured for each of ten non-aggregated inorganic particles, and the number average is determined.

親水性無機粒子の平均二次粒径は、特に限定されないが、隔膜からの脱落防止及び多孔膜孔内の親水化の観点から、0.2μm以上10μm以下であることが好ましく、0.5μm以上8.0μm以下であることがより好ましい。平均二次粒径は、親水性無機粒子が隔膜中で形成している二次粒子の状態の平均粒径である。
なお、平均二次粒径は、隔膜から高分子樹脂を溶解除去して残った親水性無機粒子を測定試料として、レーザー回折・散乱法により、体積分布から平均二次粒径を計測することができる。より具体的には、後述する実施例に記載の方法によって求めることができる。
The average secondary particle size of the hydrophilic inorganic particles is not particularly limited, but is preferably 0.2 μm or more and 10 μm or less from the viewpoints of prevention of detachment from the membrane and of hydrophilization in the porous membrane pores. More preferably, it is 8.0 μm or less. The average secondary particle size is an average particle size in the state of secondary particles formed by the hydrophilic inorganic particles in the diaphragm.
The average secondary particle size can be determined by measuring the average secondary particle size from the volume distribution by laser diffraction / scattering method, using the hydrophilic inorganic particles remaining after dissolving and removing the polymer resin from the diaphragm as a measurement sample. it can. More specifically, it can be determined by the method described in the examples described later.

本実施形態において、高分子多孔膜に含まれる高分子樹脂繊維(A)及び前記高分子樹脂繊維(B)と無機化合物との合計量100質量%に対する無機化合物の質量割合は、50質量%以上90質量%以下でなければならない。
高分子樹脂繊維(A)及び前記高分子樹脂繊維(B)と無機化合物との合計量100質量%に対する無機化合物の質量割合が50質量%以上であると、例えば電解中も隔膜内部の親水性をより高くでき、発生するガスが隔膜を通って反対側の電極室に抜けるのを防ぎやすい。さらに、電解液が隔膜内に浸透することが出来る為、隔膜の電圧損失をより低く保つことが出来る。一方で、高分子樹脂繊維(A)及び前記高分子樹脂繊維(B)と無機化合物の合計量100質量%に対する無機化合物の質量割合が90質量%以下であると、隔膜の気孔率をより高く制御し易い。より好ましくは60質量%以上80質量%未満である。
本実施形態において、無機化合物は高分子樹脂繊維の表面に付着していても良いし、一部が高分子樹脂繊維に埋没していても良い。また、無機化合物が隔膜の空隙部に内包されると、隔膜から脱離しにくくなり、隔膜の性能を長時間維持できる。
In the present embodiment, the mass ratio of the inorganic compound to the total amount 100 mass% of the polymer resin fiber (A) and the polymer resin fiber (B) and the inorganic compound contained in the polymer porous film is 50 mass% or more It must be 90% by mass or less.
When the mass ratio of the inorganic compound is 50% by mass or more based on 100% by mass of the total amount of the polymer resin fiber (A) and the polymer resin fiber (B) and the inorganic compound, for example, the hydrophilicity inside the diaphragm also during electrolysis Can be made higher and it is easy to prevent the generated gas from passing through the diaphragm to the opposite electrode chamber. Furthermore, since the electrolyte can penetrate into the diaphragm, the voltage loss of the diaphragm can be kept lower. On the other hand, when the mass ratio of the inorganic compound to the total amount 100 mass% of the polymer resin fiber (A) and the polymer resin fiber (B) and the inorganic compound is 90 mass% or less, the porosity of the diaphragm is higher Easy to control. More preferably, they are 60 mass% or more and less than 80 mass%.
In the present embodiment, the inorganic compound may be attached to the surface of the polymer resin fiber, or a part may be buried in the polymer resin fiber. In addition, when the inorganic compound is contained in the gap of the diaphragm, it becomes difficult to detach from the diaphragm, and the performance of the diaphragm can be maintained for a long time.

[多孔性支持体]
本実施形態の高分子多孔膜が含有し得る多孔性支持体としては、メッシュ、不織布、織布、不織布と該不織布に内在する織布とを含む複合布等が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
[Porous support]
Examples of the porous support which the porous polymer membrane of the present embodiment may contain include a mesh, a non-woven fabric, a woven fabric, a composite fabric including a non-woven fabric and a woven fabric inherent to the non-woven fabric. These may be used alone or in combination of two or more.

本実施形態における多孔性支持体としては、耐加水分解性が高い、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体(ETFE)、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)が望ましく、ポリフェニレンサルファイド(PPS)が特に好ましい。   As the porous support in this embodiment, polyphenylene sulfide (PPS), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE), chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer, which has high hydrolysis resistance Polymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) are preferred, and polyphenylene sulfide (PPS) is particularly preferred.

本実施形態における隔膜には、さらなる機能の付与を目的として、隔膜の機能を阻害しない範囲で、繊維(A)、繊維(B)以外の高分子樹脂繊維や、高分子多孔膜以外の物質が含まれていても良い。隔膜は、例えば、酸化防止剤、熱安定化剤等の添加剤を含有しても良いし、隔膜には、フッ素系樹脂等のコーティングを施しても良い。
特に、本実施形態のアルカリ水電解用隔膜は、高分子樹脂繊維(例えば、PPS)と高分子多孔膜に含まれる無機化合物(例えば、ZrO2)との分散状態を好適化する観点から、SBラテックスを含有することが好ましい。
The polymer resin fibers other than the fibers (A) and the fibers (B) and substances other than the porous polymer membrane are used in the diaphragm in the present embodiment for the purpose of imparting further functions, in a range not inhibiting the function of the diaphragm. It may be included. The diaphragm may contain, for example, additives such as an antioxidant and a heat stabilizer, and the diaphragm may be coated with a fluorine resin or the like.
In particular, the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present embodiment is SB from the viewpoint of optimizing the dispersion state of the polymer resin fiber (for example, PPS) and the inorganic compound (for example, ZrO 2 ) contained in the porous polymer membrane. It is preferred to contain a latex.

本実施形態における隔膜では、高分子樹脂繊維(A)の平均繊維径(Da)と、親水性無機粒子の1次粒径(Di)との比(Di/Da)が、0.05〜3の範囲であることが好ましく、0.1〜2の範囲であることがより好ましく、0.2〜1の範囲であることが特に好ましい。
Di/Daが0.05以上であることにより、隔膜孔内に取り込まれた際、そこで凝集して形成される二次粒子の粒径が隔膜の孔径より大きくなり、隔膜から親水性無機粒子が脱落することを抑制でき、Di/Daが3以下であることにより、隔膜から脱落した親水性無機粒子が、多孔体電極の細孔を閉塞することを防止して、過電圧の上昇を防止することができる。
In the diaphragm in the present embodiment, the ratio (Di / Da) of the average fiber diameter (Da) of the polymer resin fiber (A) to the primary particle diameter (Di) of the hydrophilic inorganic particles is 0.05 to 3 It is preferably in the range of 0.1 to 2, more preferably in the range of 0.1 to 2, and particularly preferably in the range of 0.2 to 1.
When Di / Da is 0.05 or more, when incorporated into the diaphragm pores, the particle size of the secondary particles formed by being aggregated therein becomes larger than the pore diameter of the diaphragm, and the hydrophilic inorganic particles are Dropping can be suppressed, and by preventing Di / Da to be 3 or less, it is possible to prevent the hydrophilic inorganic particles dropped from the diaphragm from blocking the pores of the porous electrode and to prevent an increase in overvoltage. Can.

(隔膜の孔径)
本実施形態における隔膜は分離能、強度など適切な膜物性を得る為に孔径を制御しなければならない。また、アルカリ水電解においては、陽極から発生する酸素ガス及び陰極から発生する水素ガスの混合を防止し、かつ電解における電圧損失低減する観点から、隔膜の孔径を制御しなければならない。
(Pore diameter of diaphragm)
In the diaphragm in this embodiment, the pore size must be controlled in order to obtain appropriate membrane properties such as separation ability and strength. Further, in alkaline water electrolysis, it is necessary to control the pore size of the diaphragm from the viewpoint of preventing the mixing of the oxygen gas generated from the anode and the hydrogen gas generated from the cathode and reducing the voltage loss in the electrolysis.

隔膜の平均孔径が大きい程、隔膜のイオン透過性が良好であり、電圧損失を低減しやすい傾向にある。また、隔膜の平均孔径が大きい程、アルカリ溶液との接触表面積が小さくなるので、ポリマーの劣化が抑制される傾向にある。
一方、隔膜の平均孔径が小さい程、隔膜の分解能は高くなり、電解においては隔膜のガス遮断性が良好となる傾向にある。さらに、後述する粒径の小さな親水性無機粒子を隔膜に担持した場合、欠落せずしっかりと保持することができる。これにより、親水性無機粒子の高い保持能力を付与でき、長期に亘ってその効果を維持することができる。
また、隔膜の最大孔径は隔膜の分離精度を高める為、制御されなければならない。具体的には、平均孔径と最大孔径の差が小さい程分離性能は高くなる傾向にある。特に、電解においては、隔膜内の孔径のばらつきを小さく保てる為、ピンホールが発生して両電極室から発生するガスの純度が低下する可能性を低く出来る。
The larger the average pore diameter of the membrane, the better the ion permeability of the membrane and the easier it is to reduce the voltage loss. In addition, the larger the average pore diameter of the membrane, the smaller the contact surface area with the alkaline solution, and thus the deterioration of the polymer tends to be suppressed.
On the other hand, the smaller the average pore diameter of the membrane, the higher the resolution of the membrane, and in electrolysis the gas barrier properties of the membrane tend to be better. Furthermore, in the case where hydrophilic inorganic particles having a small particle size, which will be described later, are supported on a diaphragm, they can be firmly held without being lost. Thereby, high retention ability of hydrophilic inorganic particles can be given, and the effect can be maintained over a long period of time.
Also, the maximum pore size of the diaphragm must be controlled to increase the separation accuracy of the diaphragm. Specifically, the smaller the difference between the average pore size and the maximum pore size, the higher the separation performance tends to be. In particular, in the electrolysis, since the variation in the pore diameter in the diaphragm can be kept small, the possibility of the occurrence of pinholes and the decrease in the purity of the gas generated from both electrode chambers can be reduced.

かかる観点から本発明の隔膜においては、隔膜の平均孔径は、0.1μm以上1.0μm以下であることが好ましく、また最大孔径は0.2μm以上2.0μm以下の範囲であることが好ましい。
孔径がこの範囲であれば、優れたガス遮断性と高イオン透過性の両立も達成できる。また、隔膜の孔径は実際に使用する温度域において制御されることが好ましい。従って、例えば90℃の環境下での電解用隔膜として使用する場合は、90℃で上記の孔径の範囲を満足させることが必要である。
また、アルカリ水電解用隔膜として、より優れたガス遮断性と高いイオン透過性を発現できる範囲として、平均孔径が0.1μm以上0.5μm以下であることが好ましく、また最大孔径が0.5μm以上1.8μm以下であることがより好ましい。
From such a viewpoint, in the diaphragm of the present invention, the average pore diameter of the diaphragm is preferably 0.1 μm or more and 1.0 μm or less, and the maximum pore diameter is preferably in the range of 0.2 μm or more and 2.0 μm or less.
If the pore size is in this range, it is possible to achieve both excellent gas barrier properties and high ion permeability. In addition, it is preferable that the pore size of the diaphragm be controlled in the temperature range actually used. Therefore, for example, when used as a diaphragm for electrolysis in an environment of 90 ° C., it is necessary to satisfy the above-mentioned range of the pore diameter at 90 ° C.
In addition, the average pore diameter is preferably 0.1 μm or more and 0.5 μm or less, and the maximum pore diameter is 0.5 μm as a range capable of expressing more excellent gas barrier properties and high ion permeability as a diaphragm for alkaline water electrolysis. It is more preferable that the thickness is not less than 1.8 μm.

隔膜の孔径は、隔膜の中心から両表面へと厚み方向に向かって略対称に制御することが好ましい。隔膜の孔径分布が対称であると、例えば隔膜を電解槽に組み込む際に表裏どちらでも同様の機能が発現でき、ハンドリング性も向上する。また、電解中に異物が隔膜内部に詰まりにくくなる。さらに、隔膜の孔径は、隔膜の表面から厚み方向に内部に向かって、徐々に小さくなることがより好ましい。孔径が内部に向かって徐々に小さくなると、例えば使用中に隔膜の表面に異物による傷がついた場合であっても、高い分離能を維持することが出来る。   The pore diameter of the diaphragm is preferably controlled substantially symmetrically in the thickness direction from the center of the diaphragm to both surfaces. When the pore size distribution of the diaphragm is symmetrical, for example, when the diaphragm is incorporated into the electrolytic cell, the same function can be expressed on either the front or the back, and the handling property is also improved. In addition, foreign substances are less likely to be clogged inside the diaphragm during electrolysis. Furthermore, it is more preferable that the pore diameter of the diaphragm gradually decreases inward in the thickness direction from the surface of the diaphragm. If the pore size gradually decreases toward the inside, high separation ability can be maintained even if, for example, the surface of the diaphragm is damaged by foreign matter during use.

隔膜の平均孔径と最大孔径とは、以下の方法で測定することが出来る。
隔膜の平均孔径とは、完全性試験機(ザルトリウス・ステディム・ジャパン社製、「Sartocheck Junior BP−Plus」)を使用して以下の方法で測定した平均透水孔径をいう。まず、隔膜を芯材も含めて所定の大きさに切り出して、これをサンプルとする。このサンプルを任意の耐圧容器にセットして、容器内を純水で満たす。次に、耐圧容器を所定温度に設定した恒温槽内で保持し、耐圧容器内部が所定温度になってから測定を開始する。測定が始まると、サンプルの上面側が窒素で加圧されていき、サンプルの下面側から純水が透過してくる際の圧力と透過流量の数値を記録する。平均透水孔径は、圧力が10kPaから30kPaの間の圧力と透水流量の勾配を使い、以下のハーゲンポアズイユの式から求めることが出来る。
平均透水孔径(m)={32ηLμ0/(εP)}0.5
ここで、ηは水の粘度(Pa・s)、Lは隔膜の厚み(m)、μ0は見かけの流速でありμ0(m/s)=流量(m3/s)/流路面積(m2)である。また、εは気孔率、Pは圧力(Pa)である。
The average pore size and the maximum pore size of the diaphragm can be measured by the following method.
The average pore diameter of the diaphragm means an average water permeation pore diameter measured by the following method using an integrity tester ("Sartocheck Junior BP-Plus" manufactured by Sartorius Japan Ltd.). First, a diaphragm is cut into a predetermined size including a core material, and this is used as a sample. The sample is set in an optional pressure container, and the container is filled with pure water. Next, the pressure resistant container is held in a constant temperature bath set to a predetermined temperature, and the measurement is started after the inside of the pressure resistant container reaches a predetermined temperature. When the measurement starts, the upper surface side of the sample is pressurized with nitrogen, and the numerical value of the pressure and the permeation flow rate when pure water permeates from the lower surface side of the sample is recorded. The average pore size can be determined from the following Hagen-Poiseuille equation, using a pressure between 10 kPa and 30 kPa and a gradient of the hydraulic flow rate.
Average permeability pore size (m) = {32 L L μ 0 / (εP)} 0.5
Here, η is the viscosity of water (Pa · s), L is the thickness of the diaphragm (m), μ 0 is the apparent flow rate, and μ 0 (m / s) = flow rate (m 3 / s) / flow path area (M 2 ). Moreover, (epsilon) is a porosity and P is a pressure (Pa).

隔膜の最大孔径は、完全性試験機(ザルトリウス・ステディム・ジャパン社製、「Sartocheck Junior BP−Plus」)を使用して以下の方法で測定することが出来る。まず、隔膜を芯材も含めて所定の大きさに切り出して、これをサンプルとする。このサンプルを純水で濡らし、隔膜の孔内に純水を含浸させ、これを測定用の耐圧容器にセットする。次に、耐圧容器を所定温度に設定した恒温槽内で保持し、耐圧容器内部が所定温度になってから測定を開始する。測定が始まると、サンプルの上面側が窒素で加圧されていき、サンプルの下面側から気泡が連続して発生してくるときの窒素圧力を、バブルポイント圧力とする。最大孔径はヤング−ラプラスの式を変形させた下記バブルポイント式から求めることが出来る。
最大孔径(m)=4γcosθ/P
ここで、γは水の表面張力(N/m)、cosθは隔膜表面と水の接触角(rad)、Pはバブルポイント圧力(Pa)である。
The maximum pore size of the diaphragm can be measured by the following method using an integrity tester ("Sartocheck Junior BP-Plus" manufactured by Sartorius Japan). First, a diaphragm is cut into a predetermined size including a core material, and this is used as a sample. The sample is wetted with pure water, the pores of the diaphragm are impregnated with pure water, and this is set in a pressure container for measurement. Next, the pressure resistant container is held in a constant temperature bath set to a predetermined temperature, and the measurement is started after the inside of the pressure resistant container reaches a predetermined temperature. When measurement starts, the upper surface side of the sample is pressurized with nitrogen, and the nitrogen pressure at which bubbles are continuously generated from the lower surface side of the sample is taken as the bubble point pressure. The maximum pore size can be determined from the following bubble point equation obtained by transforming the Young-Laplace equation.
Maximum pore size (m) = 4γ cos θ / P
Here, γ is the surface tension (N / m) of water, cos θ is the contact angle (rad) of the diaphragm surface with water, and P is the bubble point pressure (Pa).

(隔膜の気孔率)
適切な分離能の発現や目詰まりによる寿命の短縮防止の観点から、隔膜の気孔率を制御しなければならない。また、隔膜を電解に使用した場合はガス遮断性、親水性の維持、気泡の付着によるイオン透過性低下の防止、さらには長時間安定した電解性能(低電圧損失等)が得られるといった観点から、隔膜の気孔率を制御しなければならない。隔膜の気孔率は、平均孔径及び最大孔径が上記範囲にある孔が、隔膜に占める割合と関連するものともいえる。隔膜の高い機能、特にアルカリ水電解用隔膜におけるガス遮断性や低電圧損失の両立性を発現させるために、隔膜の気孔率の下限は30%以上であることが好ましく、35%以上であることがより好ましく、40%以上であることが更に好ましい。また、気孔率の上限は80%以下である必要があり、70%以下であることがより好ましい。隔膜の気孔率が上記上限値以下であれば、多孔構造を保持することが出来る。
(Porosity of diaphragm)
It is necessary to control the porosity of the diaphragm from the viewpoint of expression of appropriate separation ability and shortening of the life due to clogging. In addition, when the diaphragm is used for electrolysis, from the viewpoint of maintaining the gas barrier property and the hydrophilicity, preventing the decrease in ion permeability due to the adhesion of air bubbles, and further achieving stable electrolytic performance (such as low voltage loss) for a long time. , The porosity of the diaphragm must be controlled. The porosity of the membrane can be said to be related to the proportion of pores having an average pore size and a maximum pore size in the above range in the membrane. The lower limit of the porosity of the diaphragm is preferably 30% or more, preferably 35% or more, in order to express the high function of the diaphragm, in particular the compatibility of the gas barrier property and the low voltage loss in the alkaline water electrolysis diaphragm. Is more preferably 40% or more. In addition, the upper limit of the porosity needs to be 80% or less, and more preferably 70% or less. If the porosity of the membrane is equal to or less than the above upper limit value, the porous structure can be maintained.

ここで、隔膜の気孔率εとは、アルキメデス法により求めた開気孔率をいい、以下の式により求めることができる。
気孔率ε(%)=(ρ1−ρ2)×100
ρ1は、飽水密度(g/cm3)、すなわち、開気孔内が水を含んで飽和した状態のサンプルの密度を表す。ρ2は、乾燥密度(g/cm3)、すなわち、開気孔内から水が十分
に除去されて乾燥した状態のサンプルの密度を表す。ρ1及びρ2は、それぞれの状態のサンプルについて、w:重量(g)、d:厚みcm)、s:厚み方向に垂直な面の面積cm2)を測定し、ρ=w/(d×s)として求めることができる。
隔膜サンプルの水接触面が低吸水性であって、サンプルが水を含んだ状態と乾燥状態との間で厚みや面積が有意に変化しない場合には、d及びsは一定値とみなすこともできる。 気孔率εは、具体的に、25℃に設定した室内で次の手順で測定することができる。純水で洗浄した隔膜を3cm×3cmの大きさで3枚に切出して、シックネスゲージで厚みdを測定する。これら測定サンプルを純水中に24時間浸し、余分な水分を取り除いて
重量w1(g)を測定する。続いて、取り出したサンプルを50℃に設定された乾燥機で12時間以上静置して乾燥させて、重量w2(g)を測定する。そして、w1、w2、及びdの値から気孔率を求める。3枚のサンプルについて気孔率を求め、それらの算術平均値を隔膜の気孔率εとする。
Here, the porosity ε of the diaphragm means the open porosity obtained by the Archimedes method, and can be obtained by the following equation.
Porosity ε (%) = (ρ1-ρ2) × 100
ρ 1 represents the saturation density (g / cm 3 ), that is, the density of the sample in a state in which the open pores contain water and become saturated. ρ2 represents the dry density (g / cm 3 ), that is, the density of the sample in a dry state with sufficient removal of water from the open pores. ρ1 and ρ2 measure w: weight (g), d: thickness cm), s: area of surface perpendicular to the thickness direction cm 2 ), and 状態 = w / (d × s) Can be determined as
If the water contact surface of the diaphragm sample is low in water absorption, and the thickness and area of the sample do not change significantly between the water-containing state and the dry state, d and s may be regarded as constant values. it can. The porosity ε can be specifically measured in the room set at 25 ° C. according to the following procedure. The diaphragm washed with pure water is cut into three sheets of 3 cm × 3 cm in size, and the thickness d is measured with a thickness gauge. The measurement samples are immersed in pure water for 24 hours, excess water is removed, and the weight w1 (g) is measured. Subsequently, the taken sample is allowed to stand for 12 hours or more in a dryer set at 50 ° C. for drying, and the weight w2 (g) is measured. And porosity is calculated | required from the value of w1, w2, and d. The porosity is determined for three samples, and their arithmetic mean value is taken as the porosity ε of the membrane.

そして、隔膜の気孔率と膜表面の開口度は相関性がある。例えば、気孔率が大きい程、開口度が高くなる傾向にある。また、開口度が高い程、後述する親水性無機粒子の効果を受けやすく、より高い親水性を維持する傾向にある。これらの理由から本実施形態の隔膜の開口度は、前記した孔径の範囲に多孔構造を制御した上で制御することが好ましい。高い親水性を維持する観点から、開口度は20%以上にする必要があり、25%以上であることがより好ましく、30%以上であることが更に好ましい。一方で親水性無機粒子の担持や隔膜表面の強度を維持する為、開口度は80%以下である必要があり、75%以下であることがより好ましく、70%以下であることが更に好ましい。   And, the porosity of the membrane and the degree of opening of the membrane surface are correlated. For example, the higher the porosity, the higher the degree of opening. Also, the higher the degree of opening, the easier it is to receive the effect of the hydrophilic inorganic particles described later, and the higher the tendency to maintain hydrophilicity. For these reasons, it is preferable to control the degree of opening of the diaphragm of this embodiment after controlling the porous structure in the range of the above-mentioned pore diameter. From the viewpoint of maintaining high hydrophilicity, the opening degree needs to be 20% or more, more preferably 25% or more, and still more preferably 30% or more. On the other hand, the opening degree needs to be 80% or less, more preferably 75% or less, and still more preferably 70% or less, in order to maintain the support of the hydrophilic inorganic particles and the strength of the diaphragm surface.

本実施形態における隔膜の開口度は以下の方法で求めることが出来る。まず、隔膜表面画像をSEMで取り込む。次に、この画像を画像解析ソフト(三谷商事社製、「WinROOF」)で2値化し、孔と孔以外の部分を分ける。続いて、得られた2値化像を分析し画像全体に対する孔の割合を求め、これを開口度とする。開口度はそれぞれ観察箇所の違う3枚以上のSEM画像から得られた開口度の平均値を用いる。 The opening degree of the diaphragm in the present embodiment can be determined by the following method. First, a diaphragm surface image is captured by SEM. Next, this image is binarized with an image analysis software (manufactured by Mitani Corporation, "WinROOF") to separate the hole and the portion other than the hole. Subsequently, the obtained binarized image is analyzed to determine the ratio of holes to the entire image, which is referred to as the opening degree. The opening degree uses the average value of the opening degree acquired from three or more SEM images in which an observation location differs, respectively.

上記のような孔径と気孔率を有する隔膜をポリフェニレン共重合体でなすことにより、他のポリマーに比べて機械強度が高く丈夫で、高い機能を有する隔膜構造を実現することが出来る。その上、広い温度、圧力、pHの範囲でも長期に亘って上記隔膜が安定して機能を発現することを見出した。   By forming the diaphragm having the above-described pore diameter and porosity with a polyphenylene copolymer, a diaphragm structure having high mechanical strength and high strength as compared to other polymers can be realized. Furthermore, it has been found that the above-mentioned diaphragm stably exhibits a function over a long time even in a wide temperature, pressure, pH range.

(隔膜の厚み)
本実施形態の隔膜の厚みは、適切な膜物性及び電解性能を得る為に制御されなければならない。アルカリ水電解においては、隔膜の機械強度と電解効率を高める為に適切に制御されなければならない。
かかる観点から、隔膜の厚みは100μm以上500μm以下でなければならない場合がある。隔膜の厚みが100μm以上であれば、隔膜が破れにくくなり、衝撃に対する強度が一層向上する。この観点より、隔膜の厚みの下限は、200μm以上であることがより好ましく、300μm以上であることが更に好ましい。
一方で、隔膜の厚みが500μm以下であれば、製膜時に厚み斑を少なくでき、孔径の制御がしやすくなる。また、隔膜を電解に使用した場合、孔内に含まれる電解液の抵抗によりイオンの透過性を阻害されにくく、一層優れたイオン透過性を維持すことができる。かかる観点から、隔膜の厚みの上限は、400μm以下であることがより好ましく、350μm以下であることが更に好ましい。
(Thickness of diaphragm)
The thickness of the diaphragm of this embodiment has to be controlled in order to obtain appropriate film physical properties and electrolytic performance. In alkaline water electrolysis, it must be properly controlled to increase the mechanical strength and the electrolysis efficiency of the diaphragm.
From this point of view, the thickness of the diaphragm may have to be 100 μm or more and 500 μm or less. If the thickness of the membrane is 100 μm or more, the membrane is unlikely to be broken, and the strength against impact is further improved. From this viewpoint, the lower limit of the thickness of the diaphragm is more preferably 200 μm or more, and still more preferably 300 μm or more.
On the other hand, when the thickness of the diaphragm is 500 μm or less, thickness unevenness can be reduced at the time of film formation, and the control of the pore diameter can be facilitated. Further, when the diaphragm is used for electrolysis, the ion permeability is hardly inhibited by the resistance of the electrolytic solution contained in the pores, and the more excellent ion permeability can be maintained. From this viewpoint, the upper limit of the thickness of the diaphragm is more preferably 400 μm or less, and still more preferably 350 μm or less.

(機械強度)
本実施形態の隔膜の引張破断強度は、10MPa以上45MPa以下であることが好ましい。この引張破断強度を有する隔膜であれば、電解槽に組み込む際のハンドリング性が高く、破れやピンホールが発生しにくい隔膜となる。また、隔膜の引張破断強度は実際に使用する温度域において制御されることが好ましい。従って、例えば90℃の環境下での電解用隔膜として使用する場合は、90℃で上記の引張破断強度の範囲を満足させることが必要である。引張破断強度は、JIS K 7161に準じた方法により測定することができる。
(Mechanical strength)
The tensile breaking strength of the diaphragm of the present embodiment is preferably 10 MPa or more and 45 MPa or less. If it is a diaphragm which has this tensile breaking strength, the handling property at the time of incorporating in an electrolytic cell will be high, and it will become a diaphragm which a tear and a pinhole do not generate easily. Moreover, it is preferable that the tensile strength at break of the diaphragm is controlled in the temperature range actually used. Therefore, for example, when used as a diaphragm for electrolysis in an environment of 90 ° C., it is necessary to satisfy the above-mentioned range of tensile breaking strength at 90 ° C. The tensile strength at break can be measured by a method according to JIS K 7161.

(耐加水分解性)
本実施形態において、長期間安定した性能を得る観点から、隔膜は高い耐加水分解性を有することが好ましい。隔膜電解中は常に高温高濃度のアルカリ溶液に浸漬される為、加水分解性が不十分だと高分子樹脂繊維が徐々に劣化して脆くなる可能性がある。脆くなった高分子樹脂繊維は、循環する電解液や発生するガスによって浸食され、高分子多孔膜の孔が大きくなり、気孔率も大きくなる。その結果、ガス遮断性が低下し、両電極から発生するガスが混合してガス純度が低下しやすくなる。
(Hydrolytic resistance)
In the present embodiment, from the viewpoint of obtaining stable performance for a long time, the diaphragm preferably has high hydrolysis resistance. Since the membrane is always immersed in a high temperature and high concentration alkaline solution during diaphragm electrolysis, the polymer resin fiber may be gradually degraded and become brittle if the hydrolyzability is insufficient. The fragile polymer resin fiber is corroded by the circulating electrolyte and generated gas, and the pores of the porous polymer membrane become large and the porosity also becomes large. As a result, the gas barrier property is reduced, and the gases generated from both electrodes are mixed to easily reduce the gas purity.

(接触角)
多孔膜の水接触角は、特に限定されないが、ガス遮断性及び電解液透過性の観点から、10°以上110°以下とすることができ、20°以上100°以下であることが好ましく、30°以上90°以下であることがより好ましい。水接触角がこの範囲であると、電極で発生したガスが電極表面へ付着して電極反応を阻害するのを防止することができ、電解効率を一層高めることができる。
多孔膜の水接触角は、多孔膜の表面を構成する高分子等の材料の親水性を制御することにより、制御することができる。ここで、多孔体電極の水接触角とは、多孔体電極の表面に水を滴下し、水滴が多孔体電極と接する部位から水滴の表面に接線を引いたときに、接線と多孔体電極表面のなす角度である。
多孔体電極の水接触角は、市販の接触角計を用いて、θ/2法により測定することができる。
(Contact angle)
The water contact angle of the porous membrane is not particularly limited, but can be 10 ° or more and 110 ° or less, preferably 20 ° or more and 100 ° or less, from the viewpoint of gas barrier properties and electrolyte permeability. It is more preferable that the angle is not less than 90 °. When the water contact angle is in this range, the gas generated at the electrode can be prevented from adhering to the electrode surface to inhibit the electrode reaction, and the electrolytic efficiency can be further enhanced.
The water contact angle of the porous membrane can be controlled by controlling the hydrophilicity of a material such as a polymer constituting the surface of the porous membrane. Here, the water contact angle of the porous electrode refers to the tangent and the surface of the porous electrode when water is dropped on the surface of the porous electrode and a tangent line is drawn from the site where the water droplet contacts the porous electrode to the surface of the water droplet. It is the angle that
The water contact angle of the porous electrode can be measured by the θ / 2 method using a commercially available contact angle meter.

(ゼロギャップ構造)
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽では、特に限定されないが、図2に示すように、隔膜4が陽極2a及び陰極2cと接触した、いわゆる「ゼロギャップ構造」Zが形成されていることが好ましい。「ゼロギャップ構造」は、電極全面にわたり、陽極と隔膜とが互いに接触し、且つ、陰極と隔膜とが互いに接触している状態、又は、電極全面にわたり、極間距離が隔膜の厚みとほぼ同じとなる距離で、陽極と隔膜との間及び陰極と隔膜との間に隙間のほとんど無い状態、に保つことのできる構造である。
アルカリ水電解において、隔膜と、陽極や陰極との間に隙間がある場合、この部分には電解液の他に電解で発生した大量のガスバブルが滞留することで、電気抵抗が非常に高くなる。
一方、ゼロギャップ構造を形成すると、発生するガスを電極の細孔を通して電極の隔膜側とは反対側に素早く逃がすことによって、陽極と陰極の間隔(以下、「極間距離」ともいう。)を低減しつつ、電解液による電圧損失や電極近傍におけるガス溜まりの発生を極力抑え、電解電圧を低く抑制することができる。
(Zero gap structure)
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to the present embodiment is not particularly limited, but as shown in FIG. 2, a so-called "zero gap structure" Z is formed in which the diaphragm 4 is in contact with the anode 2a and the cathode 2c. Is preferred. In the “zero gap structure”, the anode and the diaphragm are in contact with each other over the entire surface of the electrode and the cathode and the diaphragm are in contact with each other, or the distance between the electrodes is substantially the same as the thickness of the diaphragm over the entire surface of the electrode The distance between the anode and the diaphragm, and the cathode and the diaphragm can be maintained with almost no gap.
In the alkaline water electrolysis, when there is a gap between the diaphragm and the anode or the cathode, a large amount of gas bubbles generated by the electrolysis stay in this part besides the electrolytic solution, and the electric resistance becomes very high.
On the other hand, when the zero gap structure is formed, the space between the anode and the cathode (hereinafter, also referred to as “inter-electrode distance”) is obtained by quickly releasing the generated gas to the opposite side of the electrode through the pores of the electrode. While reducing, it is possible to suppress the voltage loss due to the electrolytic solution and the generation of gas accumulation near the electrodes as much as possible, and to suppress the electrolytic voltage low.

ゼロギャップ構造を構成する手段は、既にいくつか提案されており、例えば、陽極と陰極を完全に平滑に加工して、隔膜を挟むように押し付ける方法や、電極と隔壁との間にバネ等の弾性体を配置し、この弾性体で電極を支持する方法が挙げられる。
なお、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽において、ゼロギャップ構造を構成する手段の好ましい実施形態については、後述する。
Several means for forming a zero gap structure have already been proposed, for example, a method of processing the anode and the cathode completely smooth and pressing the membrane so as to sandwich the membrane, a spring or the like between the electrode and the membrane An elastic body is arrange | positioned and the method of supporting an electrode by this elastic body is mentioned.
In the bipolar electrolyzer for alkaline water electrolysis of the present embodiment, a preferred embodiment of the means for forming the zero gap structure will be described later.

(アルカリ水電解用複極式電解槽)
以下、上述した陰極、陽極、隔膜を備える、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例について、図を参照しながら説明する。
なお、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽は、下記で説明するものに限定されるものではない。また、アルカリ水電解用複極式電解槽に含まれる、陽極、陰極及び隔膜以外の部材も、下記で挙げられるものに限定されず、公知のものを適宜選択、設計等して用いることができる。
(Bipolar electrolysis cell for alkaline water electrolysis)
Hereinafter, an example of the bipolar | dipolar type electrolytic vessel for alkaline water electrolysis of this embodiment provided with the cathode mentioned above, an anode, and a diaphragm is demonstrated, referring a figure.
In addition, the bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis of this embodiment is not limited to what is demonstrated below. Moreover, members other than an anode, a cathode, and a diaphragm contained in the bipolar | dipolar type electrolytic cell for alkaline water electrolysis are not limited to what is mentioned below either, A well-known thing can be selected suitably, it can be used etc. .

図1に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の全体についての側面図を示す。
図2に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例のゼロギャップ構造を(A)に示す破線四角枠の部分についての側面図を示す。
図3に、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽の一例の電極室部分についての平面図を示す。
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽は、図1に示すとおり、陽極と、陰極と、陽極と陰極とを隔離する隔壁と、隔壁を縁取る外枠とを備える複数の電解セル65が隔膜を挟んで重ね合わせられている複極式電解槽50である。
The side view about the whole of an example of the bipolar | dipolar type electrolytic cell for alkaline water electrolysis of this embodiment is shown in FIG.
In FIG. 2, the side view about the part of the dotted square frame which shows the zero gap structure of an example of the bipolar type electrolytic cell for alkaline water electrolysis of this embodiment to (A) is shown.
In FIG. 3, the top view about the electrode chamber part of an example of the bipolar | dipolar type electrolytic vessel for alkaline water electrolysis of this embodiment is shown.
The bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to the present embodiment, as shown in FIG. 1, includes a plurality of electrolytic cells including an anode, a cathode, a partition separating the anode and the cathode, and an outer frame bordering the partition. It is a bipolar electrolytic cell 50 in which 65 is superimposed with a diaphragm interposed therebetween.

本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽では、特に限定されないが、隔膜4が陽極2a及び陰極2cと接触したゼロギャップ構造Zが形成されていることが好ましい(図2参照)。
そして、本実施形態における複極式電解槽では、隔壁1と外枠3と隔膜4とにより電解液が通過する電極室5が画成されており、電極室5には隔壁に沿う所与の方向D1に対して平行に配置される複数の整流板6が設けられている(図2、図3参照)。
In the bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis of the present embodiment, although not particularly limited, it is preferable that a zero gap structure Z in which the diaphragm 4 is in contact with the anode 2a and the cathode 2c is formed (see FIG. 2).
Further, in the bipolar electrolytic cell according to the present embodiment, an electrode chamber 5 through which the electrolytic solution passes is defined by the partition 1, the outer frame 3 and the diaphragm 4, and the electrode chamber 5 is formed along the partition. A plurality of rectifying plates 6 disposed in parallel to the direction D1 are provided (see FIGS. 2 and 3).

((複極式エレメント))
一例のアルカリ水電解用複極式電解槽に用いられる複極式エレメント60は、図2〜図3に示すように、陽極2aと陰極2cとを隔離する隔壁1を備え、隔壁を縁取る外枠3を備えている。より具体的には、隔壁1は導電性を有し、外枠3は隔壁1の外縁に沿って隔壁1を取り囲むように設けられている。
((Bipolar element))
As shown in FIGS. 2 to 3, the bipolar element 60 used in an example of the bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis has a partition 1 for separating the anode 2a and the cathode 2c, The frame 3 is provided. More specifically, the partition 1 has conductivity, and the outer frame 3 is provided along the outer edge of the partition 1 so as to surround the partition 1.

なお、本実施形態では、複極式エレメント60は、通常、隔壁に沿う所与の方向D1が、鉛直方向となるように、使用してよい。具体的には、図2、図3に示すように隔壁1の平面視形状が長方形である場合、隔壁に沿う所与の方向D1が、向かい合う2組の辺のうちの1組の辺の方向と同じ方向となるように、使用してよい(図1〜図3参照)。そして、本明細書では、上記鉛直方向を電解液通過方向とも称する。   In the present embodiment, the bipolar element 60 may be generally used such that a given direction D1 along the partition wall is in the vertical direction. Specifically, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, when the plan view shape of the partition wall 1 is rectangular, a given direction D1 along the partition wall is a direction of one of two opposing sides. It may be used in the same direction as (see FIGS. 1 to 3). And in this specification, the above-mentioned perpendicular direction is also called an electrolysis solution passage direction.

本実施形態では、図1に示すとおり、複極式電解槽50は複極式エレメント60を必要数積層することで構成されている。
図1に示す一例では、複極式電解槽50は、一端からファストヘッド51g、絶縁板51i、陽極ターミナルエレメント51aが順番に並べられ、更に、陽極側ガスケット部分7、隔膜4、陰極側ガスケット部分7、複極式エレメント60が、この順番で並べて配置される。このとき、複極式エレメント60は、陽極ターミナルエレメント51a側に陰極2cを向けるよう配置する。陽極側ガスケット部分7から複極式エレメント60までは、設計生産量に必要な数だけ繰り返し配置される。陽極側ガスケット部分7から複極式エレメント60までを必要数だけ繰り返し配置した後、再度、陽極側ガスケット部分7、隔膜4、陰極側ガスケット部分7を並べて配置し、最後に陰極ターミナルエレメント51c、絶縁板51i、ルーズヘッド51gをこの順番で配置する。複極式電解槽50は、全体をタイロッド51r(図1参照)や油圧シリンダー方式等の締め付け機構で締め付けることによりー体化され、複極式電解槽50となる。
複極式電解槽50を構成する配置は、陽極2a側からでも陰極2c側からでも任意に選択でき、上述の順序に限定されるものではない。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the bipolar electrolyzer 50 is configured by laminating the required number of bipolar elements 60.
In the example shown in FIG. 1, in the bipolar electrolytic cell 50, the fast head 51g, the insulating plate 51i and the anode terminal element 51a are arranged in order from one end, and further, the anode side gasket portion 7, the diaphragm 4 and the cathode side gasket portion 7 and the bipolar elements 60 are arranged in this order. At this time, the bipolar element 60 is disposed so as to direct the cathode 2 c to the anode terminal element 51 a side. The anode side gasket portion 7 to the bipolar element 60 are repeatedly arranged by the number required for the design production amount. After arranging from the anode side gasket part 7 to the bipolar element 60 repeatedly as many times as necessary, again, the anode side gasket part 7, the diaphragm 4 and the cathode side gasket part 7 are arranged side by side, and finally the cathode terminal element 51c, insulation The plate 51i and the loose head 51g are arranged in this order. The bipolar electrolyzer 50 is integrated by tightening the whole with a tie rod 51r (see FIG. 1) or a tightening mechanism such as a hydraulic cylinder system, and becomes the bipolar electrolyzer 50.
The arrangement of the bipolar electrolytic cell 50 can be arbitrarily selected from the anode 2 a side or the cathode 2 c side, and is not limited to the above-described order.

図1に示すように、複極式電解槽50では、複極式エレメント60が、陽極ターミナルエレメント51aと陰極ターミナルエレメント51cとの間に配置され、隔膜4は、陽極ターミナルエレメント51aと複極式エレメント60との間、隣接して並ぶ複極式エレメント60同士の間、及び複極式エレメント60と陰極ターミナルエレメント51cとの間に配置されている。   As shown in FIG. 1, in the bipolar electrolyzer 50, the bipolar element 60 is disposed between the anode terminal element 51a and the cathode terminal element 51c, and the diaphragm 4 is bipolar to the anode terminal element 51a. It is disposed between the elements 60, between adjacently arranged bipolar elements 60, and between the bipolar elements 60 and the cathode terminal element 51c.

また、本実施形態における複極式電解槽50では、図2、図3に示すとおり、隔壁1と外枠3と隔膜4とにより、電解液が通過する電極室5が画成されている。   Further, in the bipolar electrolytic cell 50 in the present embodiment, as shown in FIGS. 2 and 3, the partition 1, the outer frame 3, and the diaphragm 4 define an electrode chamber 5 through which the electrolytic solution passes.

詳細には、電極室5は、外枠3との境界において、電極室5に電解液を導入する電解液入口と、電極室5から電解液を導出する電解液出口とを有する。より具体的には、陽極室5aには、陽極室5aに電解液を導入する陽極電解液入口と、陽極室5aから導出する電解液を導出する陽極電解液出口とが設けられ、陰極室5cには、陰極室5cに電解液を導入する陰極電解液入口と、陰極室5cから導出する電解液を導出する陰極電解液出口とが設けられる。   Specifically, the electrode chamber 5 has an electrolyte inlet for introducing the electrolyte into the electrode chamber 5 and an electrolyte outlet for discharging the electrolyte from the electrode chamber 5 at the boundary with the outer frame 3. More specifically, the anode chamber 5a is provided with an anode electrolyte inlet for introducing the electrolyte into the anode chamber 5a and an anode electrolyte outlet for discharging the electrolyte drawn from the anode chamber 5a, and the cathode chamber 5c is provided. A cathode electrolyte inlet for introducing the electrolyte into the cathode chamber 5c and a cathode electrolyte outlet for discharging the electrolyte discharged from the cathode chamber 5c are provided.

なお、図1〜図3に示した例では、長方形形状の隔壁1と長方形形状の隔膜4とが平行に配置され、また、隔壁1の端縁に設けられた直方体形状の外枠3の隔壁1側の内面が隔壁1に垂直となっているため、電極室5の形状が直方体となっている。   In the example shown in FIGS. 1 to 3, the rectangular partition wall 1 and the rectangular partition wall 4 are arranged in parallel, and the partition wall of the rectangular outer frame 3 provided at the edge of the partition wall 1 Since the inner surface on the 1 side is perpendicular to the partition wall 1, the shape of the electrode chamber 5 is a rectangular parallelepiped.

複極式電解槽50には、通常、電解液を配液又は集液する管であるヘッダーが取り付けられ、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの下方に、陽極室5aに電解液を入れる陽極入口ヘッダーと、陰極室5cに電解液を入れる陰極入口ヘッダーとを備えている。また、同様に、隔壁1の端縁にある外枠3のうちの上方に、陽極室5aから電極液を出す陽極出口ヘッダーと、陰極室5cから電解液を出す陰極出口ヘッダーとを備えている。
なお、図1〜図3に示す複極式電解槽50に取り付けられるヘッダーの配設態様として、代表的には、内部ヘッダー型と外部ヘッダー型とがあるが、本発明では、いずれの型を採用してもよく、特に限定されない。
A header, which is a pipe for distributing or collecting an electrolytic solution, is usually attached to the bipolar electrolytic cell 50, and the electrolytic solution is added to the anode chamber 5 a below the outer frame 3 at the end edge of the partition 1. And an anode inlet header for introducing an electrolyte into the cathode chamber 5c. Similarly, an anode outlet header for discharging the electrode solution from the anode chamber 5a and a cathode outlet header for discharging the electrolyte solution from the cathode chamber 5c are provided above the outer frame 3 at the edge of the partition wall 1 .
As a disposition mode of the header attached to the bipolar electrolytic cell 50 shown in FIGS. 1 to 3, there are representatively an inner header type and an outer header type, but in the present invention, any type is used. It may be adopted and is not particularly limited.

本実施形態の複極式電解槽50では、陽極入口ヘッダーで配液された電解液が、陽極電解液入口を通って陽極室5aに導入され、陽極室5aを通過し、陽極電解液出口を通って陽極室5aから導出され、陽極出口ヘッダーで集液される。   In the bipolar electrolyzer 50 according to the present embodiment, the electrolyte distributed by the anode inlet header is introduced into the anode chamber 5a through the anode electrolyte inlet, passes through the anode chamber 5a, and the anode electrolyte outlet It is led out from the anode chamber 5a and collected at the anode outlet header.

そして、本実施形態における電極室は、図2、図3に示すとおり、隔壁1に沿う所与の方向D1に対して平行に配置される複数の整流板6を備える。   And the electrode chamber in this embodiment is provided with the several flow straightening plate 6 arrange | positioned in parallel with respect to the given direction D1 in alignment with the partition 1, as shown to FIG. 2, FIG.

整流板6は、電極室5内における気液の流れの乱れにより電極室5に生じる対流を低減して、局所的な電解液の温度の上昇を抑制する。   The rectifying plate 6 reduces the convection generated in the electrode chamber 5 due to the disturbance of the flow of gas and liquid in the electrode chamber 5 and suppresses the local rise in temperature of the electrolytic solution.

特に、図1〜図3に示した例では、複数の整流板6が、隔壁1に沿う所与の方向(図示の例では、電解液通過方向)D1に垂直な方向に、一定の間隔(ピッチ)で設けられている。   In particular, in the example shown in FIGS. 1 to 3, the plurality of rectifying plates 6 have a constant interval (vertical direction) to a given direction along the partition 1 (in the example shown, the electrolyte passing direction) D1. Provided at a pitch).

また、一例の複極式電解槽50では、整流板6は、電極室5の高さとほぼ同じ長さを有し、隔壁1に垂直に設けられており、隔壁1に沿う所与の方向D1(図示の例では、電解液通過方向)について所定のピッチで貫通孔を有している。
なお、本発明において、電極室5の形状は、図1〜図3に示す例の直方体に限定されることなく、隔壁1や隔膜4の平面視形状、外枠3の隔壁2側の内面と隔壁2とのなす角度等により、適宜変形されてよく、本発明の効果が得られる限り、いかなる形状であってもよい。
In one example of the bipolar battery unit 50, the rectifying plate 6 has a length substantially the same as the height of the electrode chamber 5, is provided perpendicularly to the partition 1, and a given direction D1 along the partition 1 The through holes are formed at a predetermined pitch (in the illustrated example, the electrolytic solution passing direction).
In the present invention, the shape of the electrode chamber 5 is not limited to the rectangular parallelepiped in the example shown in FIGS. 1 to 3, and the plan view shape of the partition 1 or the diaphragm 4 and the inner surface of the outer frame 3 on the partition 2 side Depending on the angle with the partition 2 or the like, the shape may be modified as appropriate, as long as the effects of the present invention can be obtained.

なお、本発明において、電極室5における整流板6の配設態様は、図1〜図3に示す例に限定されない。   In the present invention, the arrangement of the rectifying plate 6 in the electrode chamber 5 is not limited to the example shown in FIGS. 1 to 3.

本発明において、整流板6の数や整流板6の隔壁1に沿う所与の方向D1に垂直な方向についての一定の間隔(ピッチ)は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよい。ここで、整流板6の間隔は、一定でなくてもよい。
また、本発明において、整流板6の長さ、整流板6と隔壁1とのなす角度、貫通孔の数や貫通孔の隔壁1に沿う所与の方向D1についての一定の間隔(ピッチ)は、本発明の効果が得られる限り、適宜定められてよい。ここで、貫通孔の間隔は、一定でなくてもよい。
In the present invention, the number of the straightening vanes 6 and the fixed interval (pitch) in the direction perpendicular to the given direction D1 along the dividing wall 1 of the straightening vanes 6 are appropriately determined as long as the effect of the present invention is obtained. Good. Here, the distance between the straightening vanes 6 may not be constant.
Further, in the present invention, the length of the straightening vane 6, the angle between the straightening vane 6 and the dividing wall 1, the number of through holes, and the constant spacing (pitch) in a given direction D1 along the dividing wall 1 of the through holes are As long as the effect of the present invention can be obtained, it may be determined appropriately. Here, the distance between the through holes may not be constant.

なお、図1〜図3に示す例では、隔壁1、陽極2a、陰極2cがいずれも所定の厚みを有する板状の形状であるが、本発明はこれに限定されることなく、断面において全部又は一部がジグザグ状、波状となる形状であってもよく、端部が丸みを帯びている形状であってもよい。   In the example shown in FIGS. 1 to 3, although the partition walls 1, the anodes 2a, and the cathodes 2c are all in the form of a plate having a predetermined thickness, the present invention is not limited thereto and all of the cross sections Alternatively, it may have a zigzag or wavy shape, or it may have a rounded end.

(ゼロギャップ構造)
ゼロギャップ型セルにおける複極式エレメント60では、極間距離を小さくする手段として、電極2と隔壁1との間に弾性体であるバネを配置し、このバネで電極2を支持する形態をとることが好ましい。例えば、第1の例では、隔壁1に導電性の材料で製作されたバネを取り付け、このバネに電極2を取り付けてよい。また、第2の例では、隔壁1に取り付けた電極リブ6にバネを取り付け、そのバネに電極2を取り付けてよい。なお、このような弾性体を用いた形態を採用する場合には、電極2が隔膜4に接する圧力が不均一にならないように、バネの強度、バネの数、形状等必要に応じて適宜調節する必要がある。
(Zero gap structure)
In the bipolar element 60 in the zero gap type cell, a spring, which is an elastic body, is disposed between the electrode 2 and the partition 1 as a means for reducing the distance between the poles, and the electrode 2 is supported by this spring. Is preferred. For example, in the first example, a spring made of a conductive material may be attached to the partition wall 1 and the electrode 2 may be attached to the spring. In the second example, a spring may be attached to the electrode rib 6 attached to the partition wall 1 and the electrode 2 may be attached to the spring. In the case of employing such an elastic body, the strength of the spring, the number of springs, the shape, etc. may be appropriately adjusted so that the pressure at which the electrode 2 contacts the diaphragm 4 does not become uneven. There is a need to.

また、弾性体を介して支持した電極2の対となるもう一方の電極2の剛性を強くすること(例えば、陽極の剛性を陰極の剛性よりも強くすること)で、押しつけても変形の少ない構造としている。―方で、弾性体を介して支持した電極2については、隔膜4を押しつけると変形する柔軟な構造とすることで、電解槽50の製作精度上の公差や電極2の変形等による凹凸を吸収してゼロギャップ構造Zを保つことができる。   In addition, the rigidity of the other electrode 2 of the pair of electrodes 2 supported via an elastic body is increased (for example, the rigidity of the anode is made stronger than the rigidity of the cathode), so that there is little deformation even when pressed It has a structure. In the case of the electrode 2 supported by the elastic body, the flexible structure that deforms when the diaphragm 4 is pressed absorbs irregularities due to tolerances in manufacturing accuracy of the electrolytic cell 50, deformation of the electrode 2, etc. Then, the zero gap structure Z can be maintained.

より具体的には、整流板6(リブ6)の先端に集電体2rを取り付け、その集電体2rの上面側、つまり、隔壁1側とは反対となる側に導電性弾性体2eを取り付け、さらに、その上面側、つまり、導電性弾性体2eに隣接して隔膜4側となる部分に電極2を重ねた少なくとも3層構造を構成することが挙げられる。集電体2rと導電性弾性体2eとによって弾性体が構成される。   More specifically, the current collector 2r is attached to the tip of the current plate 6 (rib 6), and the conductive elastic body 2e is formed on the upper surface side of the current collector 2r, that is, on the side opposite to the partition 1 side. It is possible to form an at least three-layer structure in which the electrode 2 is attached to the upper surface side, that is, the portion on the diaphragm 4 side adjacent to the conductive elastic body 2e. The current collector 2r and the conductive elastic body 2e constitute an elastic body.

本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50では、図2に示すように、陰極2c又は陽極2aと隔壁1との間に、導電性弾性体2e及び集電体2rが、導電性弾性体2eが陰極2c又は陽極2aと集電体2rとに挟まれるように、設けられている。   In the bipolar electrolytic cell 50 for alkaline water electrolysis according to this embodiment, as shown in FIG. 2, the conductive elastic body 2 e and the current collector 2 r are electrically conductive between the cathode 2 c or the anode 2 a and the partition wall 1. The elastic body 2e is provided so as to be sandwiched between the cathode 2c or the anode 2a and the current collector 2r.

(アルカリ水電解装置)
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽を用いることができる、アルカリ水電解装置の一例を図4に示す。
アルカリ水電解装置70は、本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽50に加えて、送液ポンプ71、気液分離タンク72、水補給器73以外にも、整流器74、酸素濃度計75、水素濃度計76、流量計77、圧力計78、熱交換器79、圧力制御弁80などを備えてよい。
(Alkaline water electrolysis system)
An example of the alkaline water electrolysis apparatus which can use the bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis of this embodiment is shown in FIG.
The alkaline water electrolyzer 70 is added to the bipolar electrolyzer 50 for alkaline water electrolysis of the present embodiment, and in addition to the liquid feed pump 71, the gas-liquid separation tank 72, and the water replenisher 73, a rectifier 74, an oximeter A hydrogen concentration meter 76, a flow meter 77, a pressure gauge 78, a heat exchanger 79, a pressure control valve 80, and the like may be provided.

(アルカリ水電解)
本実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽を備えたアルカリ水電解装置に電解液を循環させて電解を行うことにより、高密度電流運転や変動電源運転後の場合でも、優れた電解効率及び高い発生ガス純度を維持して、高効率なアルカリ水電解を実施することができる。
(Alkaline water electrolysis)
By circulating the electrolytic solution in the alkaline water electrolysis apparatus provided with the bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis of the present embodiment and performing electrolysis, excellent electrolytic efficiency even in the case of high density current operation and after variable power operation And while maintaining high generated gas purity, highly efficient alkaline water electrolysis can be performed.

本実施形態のアルカリ水電解に用いることができる電解液としては、アルカリ塩が溶解されたアルカリ性の水溶液としてよく、例えば、NaOH水溶液、KOH水溶液等が挙げられる。
アルカリ塩の濃度としては、特に限定されないが、20質量%〜50質量%が好ましく、25質量%〜40質量%がより好ましい。
中でも、イオン導電率、動粘度、冷温化での凍結の観点から、25質量%〜40質量%のKOH水溶液が特に好ましい。
As an electrolyte solution which can be used for alkaline water electrolysis of this embodiment, it may be an alkaline aqueous solution in which an alkaline salt is dissolved, and, for example, a NaOH aqueous solution, a KOH aqueous solution and the like can be mentioned.
Although it does not specifically limit as a density | concentration of an alkali salt, 20 mass%-50 mass% are preferable, and 25 mass%-40 mass% are more preferable.
Among them, a 25% by mass to 40% by mass KOH aqueous solution is particularly preferable from the viewpoint of ionic conductivity, dynamic viscosity, and freezing at cold temperature.

電解セル内にある電解液の温度は、特に限定されないが、80℃〜130℃であることが好ましい。
上記温度範囲とすれば、高い電解効率を維持しながら、ガスケット、隔膜等の電解装置の部材が熱により劣化することを効果的に抑制することができる。
電解液の温度は、85℃〜125℃であることがさらに好ましく、90℃〜115℃であることが特に好ましい。
The temperature of the electrolytic solution in the electrolytic cell is not particularly limited, but is preferably 80 ° C. to 130 ° C.
Within the above temperature range, deterioration of the members of the electrolytic device such as the gasket and the diaphragm due to heat can be effectively suppressed while maintaining high electrolytic efficiency.
The temperature of the electrolytic solution is more preferably 85 ° C to 125 ° C, and particularly preferably 90 ° C to 115 ° C.

本実施形態のアルカリ水電解において、電解セルに与える電流密度としては、特に限定されないが、4kA/m2〜20kA/m2であることが好ましく、6kA/m2〜15kA/m2であることがさらに好ましい。
特に、変動電源を使用する場合には、電流密度の上限を上記範囲にすることが好ましい。
In alkaline water electrolysis of this embodiment that, as the current density applied to the electrolytic cell is not particularly limited, is preferably 4kA / m 2 ~20kA / m 2 , a 6kA / m 2 ~15kA / m 2 Is more preferred.
In particular, in the case of using a variable power supply, it is preferable to set the upper limit of the current density to the above range.

本実施形態のアルカリ水電解において、電解セル内の圧力としては、特に限定されないが、3kPa〜1000kPaであることが好ましく、3kPa〜300kPaであることがさらに好ましい。   In the alkaline water electrolysis of this embodiment, the pressure in the electrolysis cell is not particularly limited, but is preferably 3 kPa to 1000 kPa, and more preferably 3 kPa to 300 kPa.

電極室当たりの電解液の流量その他の条件は、アルカリ水電解用複極式電解層の各構成に応じて適宜制御すればよい。   The flow rate of the electrolyte solution per electrode chamber and other conditions may be appropriately controlled in accordance with each configuration of the bipolar electrolytic layer for alkaline water electrolysis.

以上、図面を参照して、本発明の実施形態のアルカリ水電解用複極式電解槽について例示説明したが、本発明のアルカリ水電解用複極式電解槽は、上記の例に限定されることはなく、上記実施形態には、適宜変更を加えることができる。   As described above, the bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis according to the embodiment of the present invention has been described by way of example with reference to the drawings, but the bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis of the present invention is limited to the above example. The above embodiment can be modified as appropriate.

(ガス遮断性評価)
本実施形態の隔膜のガス遮断性の評価指標の1つとして、隔膜のバブルポイントの評価が挙げられる。本評価方法におけるバブルポイントは、隔膜を純水で十分に濡らして、孔内を純水で満たした後、隔膜の片側面を窒素で加圧し、隔膜の反対側面から、150mL/分の割合で気泡が連続して発生してくるときの圧力とする。隔膜のガス遮断性が低いほど、バブルポイントの値は小さくなり、隔膜のガス遮断性が高いほど、ガスが通過し難いため、バブルポイントの値は大きくなる。
(Gas barrier evaluation)
Evaluation of the bubble point of a diaphragm is mentioned as one of the evaluation indexes of gas barrier property of the diaphragm of this embodiment. The bubble point in this evaluation method is to fully wet the diaphragm with pure water, fill the pores with pure water, then pressurize one side of the diaphragm with nitrogen, and from the opposite side of the diaphragm at a rate of 150 mL / min. The pressure at which bubbles are continuously generated. The lower the gas barrier property of the diaphragm, the smaller the bubble point value, and the higher the gas barrier property of the diaphragm, the harder the gas can pass through, and the larger the bubble point value.

隔膜のバブルポイントは、特に限定されないが、10kPa以上であることが好ましい。隔膜のバブルポイントが10kPa以上であれば、0.2μm以上のピンホールが無い為、隔膜の分離能を担保できる。また、隔膜を電解に使用した場合、陰極室と陽極室に差圧がついた場合であっても、発生したガスが容易に隔膜を透過できないため、酸素と水素の混合を効果的に抑制できる。かかる観点から、隔膜のバブルポイントは100kPa以上であることがより好ましい。   The bubble point of the diaphragm is not particularly limited, but is preferably 10 kPa or more. If the bubble point of the diaphragm is 10 kPa or more, since there is no pinhole of 0.2 μm or more, the separation ability of the diaphragm can be secured. In addition, when the diaphragm is used for electrolysis, the generated gas can not easily permeate the diaphragm even when the differential pressure is applied to the cathode chamber and the anode chamber, so the mixing of oxygen and hydrogen can be effectively suppressed. . From this point of view, the bubble point of the diaphragm is more preferably 100 kPa or more.

(イオン透過性評価)
本実施形態のアルカリ水電解用隔膜を用いて電解を行う際のセル電圧の評価指標の1つとして、隔膜のイオン透過性が挙げられる。イオン透過性が高ければ、電解時の電気抵抗を低減でき、これに伴ってアルカリ水電解用隔膜に起因する電圧損失も低減できる。この点、本実施形態のアルカリ水電解用隔膜は高いイオン透過性を維持できるので、これを用いることで、電解時のセル電圧を小さくできる。
(Evaluation of ion permeability)
The ion permeability of a diaphragm is mentioned as one of the evaluation indexes of the cell voltage at the time of electrolyzing using the diaphragm for alkaline water electrolysis of this embodiment. If the ion permeability is high, the electrical resistance at the time of electrolysis can be reduced, and accordingly, the voltage loss due to the alkaline water electrolysis diaphragm can also be reduced. In this respect, since the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present embodiment can maintain high ion permeability, the cell voltage at the time of electrolysis can be reduced by using this.

本実施形態のアルカリ水電解用隔膜を用いて電解を行う際のセル電圧は、例えば、以下の方法によって評価することができる。ニッケル電極の間に隔膜を設置し、隔膜によって隔てられた両電極室を90℃、30質量%のKOH水溶液で満たす。両電極間に電流密度0.60A/cm2の直流電流を印加し、長時間電解する。電解開始後24時間の両電極間の電位差を測定し、この両電極間の電位差をセル電圧とする。なお、電解中はKOH水溶液中の水が、電解により消費されるため、KOH濃度が一定になるように純水を定期的に添加させる。また電解セル内に電極から発生した、酸素、水素が滞留しない様に、ポンプで両電極室内の電解液を循環させる。かかる条件で運転した場合、本実施形態の隔膜を使用した場合のセル電圧は、特に限定されるものではないが、好適な一例を挙げるならば、電流密度0.60A/cm2時に1.80V以下とすることができ、さらには1.75V以下とすることができ、運転条件によって一層セル電圧を低下させることができる。隔膜における電圧損失を低減することができるならば、少ない電力量で効率的に水の電気分解が行える。さらには、長期に高電流密度で運転した場合も、電圧損失による発熱で電解槽内の電解液を加熱し過ぎるといったリスクや、電解槽や電極等の材質の劣化を早めるといったリスク等を軽減することができる。 The cell voltage at the time of performing electrolysis using the diaphragm for alkaline water electrolysis of this embodiment can be evaluated by the following method, for example. A diaphragm is placed between the nickel electrodes, and the two electrode chambers separated by the diaphragm are filled with a 30% by weight aqueous KOH solution at 90 ° C. A direct current with a current density of 0.60 A / cm 2 is applied between both electrodes, and electrolysis is performed for a long time. The potential difference between both electrodes 24 hours after the start of electrolysis is measured, and the potential difference between both electrodes is taken as the cell voltage. Since water in a KOH aqueous solution is consumed by electrolysis during electrolysis, pure water is periodically added so that the KOH concentration becomes constant. Further, the electrolyte in the both electrode chambers is circulated by a pump so that oxygen and hydrogen generated from the electrodes do not stay in the electrolysis cell. When operated under such conditions, the cell voltage in the case of using the diaphragm of this embodiment is not particularly limited, but if a preferable example is mentioned, 1.80 V at a current density of 0.60 A / cm 2 The cell voltage can be reduced to 1.75 V or less depending on the operating conditions. If the voltage loss in the diaphragm can be reduced, the water can be efficiently electrolyzed with a small amount of power. Furthermore, even when operating at a high current density for a long time, the risk of overheating the electrolyte in the electrolytic cell due to heat generation due to voltage loss, and the risk of accelerating the deterioration of materials such as the electrolytic cell and electrodes are reduced. be able to.

(隔膜の製造方法)
本実施形態のアルカリ水電解用隔膜は、特に限定されず公知の方法で製膜できる。例えばカード式・エアレイド式等の乾式法や、抄紙等の湿式法、スパンボンド法・メルトブロー法等が挙げられる。本発明の特徴を広い面積で安定して発揮させる上で、以下に説明する二つの工程を有する抄紙法が好ましい。
(Method of manufacturing diaphragm)
The diaphragm for alkaline water electrolysis of this embodiment is not particularly limited, and can be formed by a known method. For example, dry methods such as card type and air laid type, wet methods such as papermaking, spun bond method and melt blow method, etc. may be mentioned. In order to stably exhibit the features of the present invention over a wide area, a papermaking method having two steps described below is preferable.

(工程A)高分子樹脂繊維と親水性無機粒子とを70:30〜30:70の体積比で含むスラリーを300〜1000g/m2の目付で湿式抄紙することによりウェブを形成する工程。
(工程B)工程(A)で得られたウェブを60℃〜90℃で乾燥した後、120℃〜260℃、30〜70MPaの条件でホットプレスする工程。
(Step A) A step of forming a web by wet papermaking with a fabric weight of 300 to 1000 g / m 2 of a slurry containing a polymer resin fiber and a hydrophilic inorganic particle at a volume ratio of 70:30 to 30:70.
(Step B) A step of drying the web obtained in Step (A) at 60 ° C. to 90 ° C. and then hot pressing it under the conditions of 120 ° C. to 260 ° C. and 30 to 70 MPa.

以下各工程について詳細に説明する。   Each step will be described in detail below.

(工程A)
原料としては、本実施形態のアルカリ水電解用隔膜についての説明で記載のとおりとしてよいが、例えば、平均繊維径2μmのPPS繊維、平均繊維径20μmのPPS繊維、平均一次粒径(Di)50nm以下のZrO2粒子、任意選択的に、ラテックスを使用することが望ましい。バインダー繊維は、追加的に使用してもよく、PPS繊維に含まれる非晶性PPS繊維を用いてもよい。
(Step A)
The raw material may be as described in the description of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present embodiment, but for example, PPS fibers having an average fiber diameter of 2 μm, PPS fibers having an average fiber diameter of 20 μm, an average primary particle diameter (Di) 50 nm It is desirable to use the following ZrO 2 particles, optionally a latex. Binder fibers may be additionally used, and amorphous PPS fibers contained in PPS fibers may be used.

ラテックスとしては、天然ゴムラテックス、BRラテックス、MBRラテックス、SBラテックス等が挙げられ、特に、接着性・配合安定性の観点から、SBラテックスが好ましい。
ラテックスは、ZrO2粒子をPPS表面へ接着させることが可能であり、上記混合物を水中に分散させ、湿式抄紙法によりメッシュ上へウェブを形成させることができる。
混合物に添加されるSBラテックスは、特に限定されないが、混合物の合計を100質量部としたときに、5質量部以上20質量部以下であることが好ましい。この範囲であれば、ZrO2粒子がPPS表面に十分浸透し、混合物の分散状態も良好となるため、均質性の高い隔膜を得ることができる。
Examples of the latex include natural rubber latex, BR latex, MBR latex, SB latex and the like, and in particular, SB latex is preferable from the viewpoint of adhesiveness and formulation stability.
The latex can adhere the ZrO 2 particles to the PPS surface, disperse the mixture in water, and form a web on the mesh by a wet papermaking process.
The SB latex added to the mixture is not particularly limited, but is preferably 5 parts by mass or more and 20 parts by mass or less when the total of the mixture is 100 parts by mass. Within this range, the ZrO 2 particles sufficiently penetrate the PPS surface, and the dispersed state of the mixture becomes good, so that a diaphragm with high homogeneity can be obtained.

バインダー繊維としては、PPS繊維に含まれる非晶性PPS繊維が好ましい。   As a binder fiber, the amorphous PPS fiber contained in PPS fiber is preferable.

高分子樹脂繊維と親水性無機粒子との体積比は、70:30〜30:70が好ましい。ここでの高分子樹脂繊維は、前述の高分子樹脂繊維(A)及び高分子樹脂繊維(B)としてよい。
目付は、100〜700g/m2が好ましい。
The volume ratio of the polymer resin fiber to the hydrophilic inorganic particle is preferably 70:30 to 30:70. The polymer resin fiber here may be the above-mentioned polymer resin fiber (A) and the polymer resin fiber (B).
The basis weight is preferably 100 to 700 g / m 2 .

(工程B)
乾燥温度は、特に限定されないが、高分子樹脂繊維のガラス転移点未満が望ましい。
ホットプレス温度は、特に限定されないが、高分子樹脂のガラス転移点以上融点未満が好ましい。ホットプレス圧力は、200〜280℃が好ましい。前記した非晶性PPSを含有させた場合は130〜240℃が最も好ましい。
(Step B)
The drying temperature is not particularly limited, but is preferably less than the glass transition point of the polymer resin fiber.
The hot press temperature is not particularly limited, but is preferably not less than the glass transition point of the polymer resin and less than the melting point. The hot press pressure is preferably 200 to 280 ° C. When it contains the above-mentioned amorphous PPS, 130-240 ° C is most preferred.

以下、実施例及び比較例を挙げて、本発明を更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples and comparative examples, but the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
メルトブローン法で作製した平均繊維径が2μmの綿状PPS繊維(旭化成製)35gを200℃のオーブンで2hr熱処理を行った後、蒸留水6965gと混合し、ホランダビーター(東洋精機製作所製)で2hr叩解処理を行い0.5wt%のPPS−水懸濁液を作製した。
上記懸濁液104gにPPS短繊維(繊維径:20μm、繊維長さ:5mm、KBセーレン社製)425mgを添加し、さらにSBラテックス(旭化成製、商品名:L5930)を125mg添加した。
上記混合液とは別に酸化ジルコニウム(「EP酸化ジルコニウム」、平均一次粒径(Di):30nm、第一稀元素化学工業社製、以下ZrO2と記載)1420mgを蒸留水200g中へ加え、ホモジナイザー(IKA製、T25デジタル)にて、25000rpm、1minの条件で分散した水−ZrO2分散液を作製して上記混合液に添加し、抄紙用懸濁液を作製した。
そして上記抄紙用懸濁液を内側の断面が7cm×7cmである角柱型のバッチ式抄紙機の上流側に目付420g/m2で投入し、目開き50μmのポリエステル繊維シートを挟んで、下流側を絶対圧力で10kPaの減圧にすることによってポリエステル繊維シート上に不織布ウェブを作製した。作製したウェブを90℃のオーブンで2hr乾燥させた後、ポリエステル繊維シートを外し、バッチ式のホットプレス機(井元製作所製)で160℃・40MPa・10分間の条件でホットプレスを行い、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは360μm、最大孔径は1.0μm、気孔率は40%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に1.85Vであり、引張破断強度は20MPaだった。繊維どうしの結着は無しであった。
Example 1
After heat treating 35 g of cotton-like PPS fiber (manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) having an average fiber diameter of 2 μm prepared by the meltblown method in an oven at 200 ° C. for 2 hours, it is mixed with 6965 g of distilled water, and is used with a hollanda beater It was beaten for 2 hours to prepare a 0.5 wt% PPS-water suspension.
To 104 g of the above suspension, 425 mg of PPS short fibers (fiber diameter: 20 μm, fiber length: 5 mm, manufactured by KB Salen Co., Ltd.) were added, and 125 mg of SB latex (Asahi Kasei, trade name: L5930) was further added.
Aside from the above mixture, 1420 mg of zirconium oxide ("EP zirconium oxide", average primary particle size (Di): 30 nm, manufactured by Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd., hereinafter referred to as ZrO 2 ) is added to 200 g of distilled water, and a homogenizer A water-ZrO 2 dispersion dispersed under the conditions of 25000 rpm and 1 min was prepared by (manufactured by IKA, T25 digital) and added to the above mixed solution to prepare a suspension for papermaking.
Then, the above-mentioned suspension for paper making is charged at a basis weight of 420 g / m 2 on the upstream side of a square column type batch type paper machine having an inner cross section of 7 cm × 7 cm, and a polyester fiber sheet with an opening of 50 μm is sandwiched on the downstream side. A non-woven web was produced on a polyester fiber sheet by applying a pressure of 10 kPa in absolute pressure. The produced web is dried in an oven at 90 ° C. for 2 hours, the polyester fiber sheet is removed, and hot pressing is carried out using a batch-type hot press (manufactured by Imoto Machinery Co., Ltd.) at 160 ° C., 40 MPa for 10 minutes. A diaphragm for electrolysis was obtained.
The thickness of the obtained diaphragm was 360 μm, the maximum pore diameter was 1.0 μm, and the porosity was 40%. And the cell voltage at the time of using the obtained diaphragm was 1.85 V at current density 0.60 A / cm < 2 >, and tensile breaking strength was 20 MPa. There was no binding of fibers.

[実施例2]
抄紙用懸濁液に用いた2μm径PPS−水懸濁液の量を85g、20μm径PPS短繊維の量を520mgに変更した他は実施例1と同様の方法で、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは360μm、最大孔径は1.0μm、気孔率は35%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に1.90Vであり、引張破断強度は30MPaだった。繊維どうしの結着は無しであった。
Example 2
A membrane for alkaline water electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of 2 μm diameter PPS-water suspension used for the papermaking suspension was changed to 85 g and the amount of 20 μm diameter PPS short fiber to 520 mg. Obtained.
The thickness of the obtained diaphragm was 360 μm, the maximum pore diameter was 1.0 μm, and the porosity was 35%. And the cell voltage at the time of using the obtained diaphragm was 1.90 V at current density 0.60 A / cm < 2 >, and tensile breaking strength was 30 MPa. There was no binding of fibers.

[実施例3]
抄紙用懸濁液に用いた2μm径PPS−水懸濁液の量を126g、20μm径PPS短繊維の量を315mgに変更した他は実施例1と同様の方法で、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは360μm、最大孔径は0.6μm、気孔率は60%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に1.75Vであり、引張破断強度は15MPaだった。繊維どうしの結着は無しであった。
[Example 3]
A membrane for alkaline water electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of 2 μm diameter PPS-water suspension used for the papermaking suspension was changed to 126 g and the amount of 20 μm diameter PPS short fiber was changed to 315 mg. Obtained.
The thickness of the obtained diaphragm was 360 μm, the maximum pore diameter was 0.6 μm, and the porosity was 60%. And the cell voltage at the time of using the obtained diaphragm was 1.75 V at current density 0.60 A / cm < 2 >, and tensile breaking strength was 15 MPa. There was no binding of fibers.

[実施例4]
エレクトロスピニング法で作製した平均繊維径が200nmの綿状PP繊維35gと蒸留水6965g混合し、ホランダビーター(東洋精機製)で2hr叩解処理を行い0.5wt%のPP−水懸濁液を作製した。上記懸濁液126.6gにPPS短繊維(繊維径:20μm、繊維長さ:5mm、KBセーレン社製)312mgを添加し、さらにSBラテックス(旭化成製、商品名:L5930)を125mg添加した。
上記混合液とは別に酸化ジルコニウム
(「EP酸化ジルコニウム」、平均一次粒径(Di):30nm、第一稀元素化学工業社製、以下ZrO2と記載)1420mgを蒸留水200g中へ加え、ホモジナイザー(IKA製、T25デジタル)にて、25000rpm、1minの条件で分散した水−ZrO2分散液を作製して上記混合液に添加し、抄紙用懸濁液を作製した。
以上の抄紙液を用いた他は実施例1と同様の方法で、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは360μm、最大孔径は0.4μm、気孔率は70%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に1.71Vであり、引張破断強度は8MPaだった。繊維どうしの結着は無しであった。
Example 4
35 g of cotton-like PP fibers with an average fiber diameter of 200 nm prepared by the electrospinning method are mixed with 6965 g of distilled water, beaten for 2 hours with a hollanda beater (made by Toyo Seiki Co., Ltd.) and 0.5 wt% PP-water suspension Made. 312 mg of PPS short fibers (fiber diameter: 20 μm, fiber length: 5 mm, manufactured by KB Salen) were added to 126.6 g of the above suspension, and 125 mg of SB latex (manufactured by Asahi Kasei, trade name: L5930) was further added.
Aside from the above mixture, 1420 mg of zirconium oxide ("EP zirconium oxide", average primary particle size (Di): 30 nm, manufactured by Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd., hereinafter referred to as ZrO 2 ) is added to 200 g of distilled water, and a homogenizer A water-ZrO 2 dispersion dispersed under the conditions of 25000 rpm and 1 min was prepared by (manufactured by IKA, T25 digital) and added to the above mixed solution to prepare a suspension for papermaking.
A diaphragm for alkaline water electrolysis was obtained in the same manner as in Example 1 except that the above papermaking solution was used.
The thickness of the obtained diaphragm was 360 μm, the maximum pore diameter was 0.4 μm, and the porosity was 70%. And the cell voltage at the time of using the obtained diaphragm was 1.71 V at current density 0.60 A / cm < 2 >, and the tensile strength at break was 8 MPa. There was no binding of fibers.

[実施例5]
メルトブローン法で作製した平均繊維径が2μmの綿状PPS繊維(旭化成製)35gを200℃のオーブンで2hr熱処理を行った後、蒸留水6965gと混合し、ホランダビーター(東洋精機製)で2hr叩解処理を行い0.5wt%のPPS−水懸濁液を作製した。上記懸濁液102gにPPS短繊維(繊維径:20μm、繊維長さ:5mm、KBセーレン社製)384mgを添加し、さらにSBラテックス(旭化成製、商品名:L5930)を124mg添加し、さらに平均繊維径400nmのセルロースナノファイバー(旭化成製、以下CNFと記載)を248mg添加した。
上記混合液とは別に酸化ジルコニウム(「EP酸化ジルコニウム」、平均一次粒径(Di):30nm、第一稀元素化学工業社製、以下ZrO2と記載)1340mgを蒸留水200g中へ加え、ホモジナイザー(IKA製、T25デジタル)にて、25000rpm、1minの条件で分散した水−ZrO2分散液を作製して上記混合液に添加し、抄紙用懸濁液を作製した。
そして上記抄紙用懸濁液を内側の断面が7cm×7cmである角柱型のバッチ式抄紙機の上流側に目付420g/m2で投入し、目開き50μmのポリエステル繊維シートを挟んで、下流側を絶対圧力で10kPaの減圧にすることによってポリエステル繊維シート上に不織布ウェブを作製した。作製したウェブを90℃のオーブンで2hr乾燥させた後、ポリエステル繊維シートを外し、バッチ式のホットプレス機(東洋精機製)で160℃・40MPa・10分間の条件でホットプレスを行い、PPS−ZrO2−CNF複合シートを得た。
得られたシートを90wt%のH2SO4水溶液に24hr浸漬し、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは360μm、最大孔径は0.9μm、気孔率は45%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に1.78Vであり、引張破断強度は14MPaだった。繊維どうしの結着は無しであった。
[Example 5]
After heat-treating 35 g of cotton-like PPS fiber (manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) having an average fiber diameter of 2 μm prepared by the meltblown method in an oven at 200 ° C. for 2 hours, it is mixed with 6965 g of distilled water, and 2 hours is used with a hollanda beater A refining treatment was carried out to prepare a 0.5 wt% PPS-water suspension. To 102 g of the above suspension, 384 mg of PPS short fiber (fiber diameter: 20 μm, fiber length: 5 mm, manufactured by KB Salen) is added, and 124 mg of SB latex (trade name: L5930, manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) is further added. 248 mg of cellulose nanofibers with a fiber diameter of 400 nm (manufactured by Asahi Kasei Corp., hereinafter referred to as CNF) were added.
Aside from the above mixture, 1340 mg of zirconium oxide ("EP zirconium oxide", average primary particle size (Di): 30 nm, manufactured by Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd., hereinafter referred to as ZrO 2 ) is added to 200 g of distilled water, and a homogenizer A water-ZrO 2 dispersion dispersed under the conditions of 25000 rpm and 1 min was prepared by (manufactured by IKA, T25 digital) and added to the above mixed solution to prepare a suspension for papermaking.
Then, the above-mentioned suspension for paper making is charged at a basis weight of 420 g / m 2 on the upstream side of a square column type batch type paper machine having an inner cross section of 7 cm × 7 cm, and a polyester fiber sheet with an opening of 50 μm is sandwiched on the downstream side. A non-woven web was produced on a polyester fiber sheet by applying a pressure of 10 kPa in absolute pressure. The produced web is dried in an oven at 90 ° C. for 2 hours, the polyester fiber sheet is removed, and hot pressing is performed with a batch-type hot press (manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.) at 160 ° C., 40 MPa for 10 minutes. A ZrO 2 -CNF composite sheet was obtained.
The obtained sheet was immersed in a 90 wt% aqueous H 2 SO 4 solution for 24 hours to obtain a diaphragm for alkaline water electrolysis.
The thickness of the obtained diaphragm was 360 μm, the maximum pore diameter was 0.9 μm, and the porosity was 45%. The cell voltage when using the obtained diaphragm was 1.78 V at a current density of 0.60 A / cm 2 , and the tensile strength at break was 14 MPa. There was no binding of fibers.

[実施例6]
抄紙用懸濁液に用いた2μm径PPS−水懸濁液の量を89.4g、20μm径PPS短繊維の量を447mgに、CNFの量を396mgに変更した他は実施例5と同様の方法で、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは350μm、最大孔径は1.1μm、気孔率は40%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に1.79Vであり、引張破断強度は13MPaだった。繊維どうしの結着は無しであった。
[Example 6]
The same procedure as in Example 5 was followed except that the amount of 2 μm diameter PPS-water suspension used in the papermaking suspension was changed to 89.4 g, the amount of 20 μm diameter PPS short fibers to 447 mg, and the amount of CNF to 396 mg. A diaphragm for alkaline water electrolysis was obtained by the method.
The thickness of the obtained diaphragm was 350 μm, the maximum pore diameter was 1.1 μm, and the porosity was 40%. The cell voltage when using the obtained diaphragm was 1.79 V at a current density of 0.60 A / cm 2 , and the tensile strength at break was 13 MPa. There was no binding of fibers.

[実施例7]
メルトブローン法で作製した平均繊維径が2μmの綿状PPS繊維(旭化成製)35gを、蒸留水6965gと混合し、ホランダビーター(東洋精機製)で2hr叩解処理を行い0.5wt%のPPS-水懸濁液を作製した。
上記懸濁液18.4gにPPSカットファイバー(平均繊維径:4μm、繊維長さ:3mm、KBセーレン社製)174mgを添加し、さらにPPS短繊維(平均繊維径:20μm、繊維長さ:5mm、KBセーレン社製)174mgを添加し、さらに非晶性PPS繊維(平均繊維径:25μm、繊維長さ:5μm、KBセーレン社製)43mgを添加し、さらに平均繊維径400nmのCNFを75mg添加した。
上記混合液とは別に酸化ジルコニウム(「EP酸化ジルコニウム」、平均一次粒径(Di):30nm、第一稀元素化学工業社製、以下ZrO2と記載)1310mgを蒸留水200g中へ加え、ホモジナイザー(IKA製、T25デジタル)にて、25000rpm、1minの条件で分散した水−ZrO2分散液を作製して上記混合液に添加し、抄紙用懸濁液を作製した。
そして上記抄紙用懸濁液を内側の断面が7cm×7cmである角柱型のバッチ式抄紙機の上流側に目付420g/m2で投入し、目開き50μmのポリエステル繊維シートを挟んで、下流側を絶対圧力で10kPaの減圧にすることによってポリエステル繊維シート上に不織布ウェブを作製した。作製したウェブを90℃のオーブンで2hr乾燥させた後、ポリエステル繊維シートを外し、バッチ式のホットプレス機(東洋精機製)で240℃・15MPa・10分間の条件でホットプレスを行い、PPS−ZrO2−CNF複合シートを得た。
得られたシートを90wt%のH2SO4水溶液に24hr浸漬し、90℃のオーブンで2hr乾燥させた後、バッチ式のホットプレス機で240℃・5MPa・10分間の条件でホットプレスを行い、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは350μm、最大孔径は1.0μm、気孔率は40%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に1.80Vであり、引張破断強度は27MPaだった。SEM観察によると、一部の繊維が結着しており、超音波洗浄による膜全体の結着性評価では、結着性有りだった。
[Example 7]
35 g of cotton-like PPS fiber (manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.) having an average fiber diameter of 2 μm prepared by the meltblown method is mixed with 6965 g of distilled water, and beaten for 2 hours with a hollanda beater (manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.) A water suspension was made.
174 mg of PPS cut fiber (average fiber diameter: 4 μm, fiber length: 3 mm, manufactured by KB Salen) is added to 18.4 g of the above suspension, and PPS short fiber (average fiber diameter: 20 μm, fiber length: 5 mm) , 174 mg of KB Salen, 43 mg of amorphous PPS fibers (average fiber diameter: 25 μm, fiber length: 5 μm, KB Salen), and 75 mg of CNF with an average fiber diameter of 400 nm. did.
Aside from the above mixture, 1310 mg of zirconium oxide ("EP zirconium oxide", average primary particle diameter (Di): 30 nm, manufactured by Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd., hereinafter referred to as ZrO 2 ) is added to 200 g of distilled water, and a homogenizer A water-ZrO 2 dispersion dispersed under the conditions of 25000 rpm and 1 min was prepared by (manufactured by IKA, T25 digital) and added to the above mixed solution to prepare a suspension for papermaking.
Then, the above-mentioned suspension for paper making is charged at a basis weight of 420 g / m 2 on the upstream side of a square column type batch type paper machine having an inner cross section of 7 cm × 7 cm, and a polyester fiber sheet with an opening of 50 μm is sandwiched on the downstream side. A non-woven web was produced on a polyester fiber sheet by applying a pressure of 10 kPa in absolute pressure. The produced web is dried in an oven at 90 ° C. for 2 hours, the polyester fiber sheet is removed, and hot pressing is performed with a batch-type hot press (manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.) under conditions of 240 ° C., 15 MPa for 10 minutes. A ZrO 2 -CNF composite sheet was obtained.
The obtained sheet is immersed in a 90 wt% aqueous solution of H 2 SO 4 for 24 hr, dried in an oven at 90 ° C. for 2 hr, and then hot pressed under conditions of 240 ° C., 5 MPa for 10 minutes using a batch hot press. , A diaphragm for alkaline water electrolysis was obtained.
The thickness of the obtained diaphragm was 350 μm, the maximum pore diameter was 1.0 μm, and the porosity was 40%. And the cell voltage at the time of using the obtained diaphragm was 1.80 V at current density 0.60 A / cm < 2 >, and tensile breaking strength was 27 Mpa. According to SEM observation, a part of fibers were bound, and in the binding evaluation of the whole film by ultrasonic cleaning, it was binding.

[実施例8]
エレクトロスピニング法で作製した平均繊維径が2μmの綿状PTFE繊維35gを、IPA6950gと混合し、ホランダビーター(東洋精機製)で2hr叩解処理を行い0.5wt%のPTFE−IPA懸濁液を作製した。またメルトブローン法で作製した平均繊維径が2μmの綿状PPS繊維35gを蒸留水6965gと混合し、ホランダビーター(東洋精機製)で2hr叩解処理を行い0.5wt%のPPS-水懸濁液を作製した。
上記PTFE−IPA懸濁液34.8gと上記PPS−水懸濁液18.4gを混合し、PPSカットファイバー(平均繊維径:4μm、繊維長さ:3mm、KBセーレン社製)174mgを添加し、さらにPPS短繊維(平均繊維径:20μm、繊維長さ:5mm、KBセーレン社製)174mgを添加し、さらに非晶性PPS繊維(平均繊維径:25μm、繊維長さ:5μm、KBセーレン社製)43mgを添加し、さらに平均繊維径400nmのCNFを75mg添加した。上記混合液とは別に酸化ジルコニウム(「EP酸化ジルコニウム」、第一稀元素化学工業社製、以下ZrO2と記載)1310mgを蒸留水200g中へ加え、ホモジナイザー(IKA製、T25デジタル)にて、25000rpm、1minの条件で分散した水−ZrO2分散液を作製して上記混合液に添加し、抄紙用懸濁液を作製した。
そして上記抄紙用懸濁液を内側の断面が7cm×7cmである角柱型のバッチ式抄紙機の上流側に目付420g/m2で投入し、目開き50μmのポリエステル繊維シートを挟んで、下流側を絶対圧力で10kPaの減圧にすることによってポリエステル繊維シート上に不織布ウェブを作製した。作製したウェブを90℃のオーブンで2hr乾燥させた後、ポリエステル繊維シートを外し、バッチ式のホットプレス機(東洋精機製)で240℃・15MPa・10分間の条件でホットプレスを行い、PPS−ZrO2−CNF複合シートを得た。
得られたシートを90wt%のH2SO4水溶液に24hr浸漬し、90℃のオーブンで2hr乾燥させた後、バッチ式のホットプレス機で240℃・5MPa・10分間の条件でホットプレスを行い、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは350μm、最大孔径は1.2μm、気孔率は43%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に1.82Vであり、引張破断強度は13MPaだった。SEM観察によると、一部の繊維が結着しており、超音波洗浄による膜全体の結着性評価では、結着性有りだった。
[Example 8]
Thirty-five grams of cotton-like PTFE fibers with an average fiber diameter of 2 μm prepared by the electrospinning method are mixed with 6950 g of IPA, beaten for 2 hours with a hollanda beater (made by Toyo Seiki), and 0.5 wt% PTFE-IPA suspension is obtained Made. In addition, 35 g of cotton-like PPS fibers with an average fiber diameter of 2 μm prepared by the meltblown method is mixed with 6965 g of distilled water, beaten with a hollanda beater (made by Toyo Seiki Co., Ltd.) for 2 hours and 0.5 wt% PPS-water suspension Was produced.
34.8 g of the above PTFE-IPA suspension and 18.4 g of the above PPS-water suspension were mixed, and 174 mg of PPS cut fiber (average fiber diameter: 4 μm, fiber length: 3 mm, manufactured by KB Salen) was added. Further, 174 mg of PPS short fiber (average fiber diameter: 20 μm, fiber length: 5 mm, manufactured by KB Salen) is added, and amorphous PPS fiber (average fiber diameter: 25 μm, fiber length: 5 μm, KB Salen) 43 mg was added, and further 75 mg of CNF having an average fiber diameter of 400 nm was added. Aside from the above mixed solution, 1310 mg of zirconium oxide ("EP zirconium oxide", manufactured by Daiichi Kigenso Kagaku Kogyo Co., Ltd., hereinafter described as ZrO2) is added to 200 g of distilled water, and 25000 rpm with a homogenizer (manufactured by IKA, T25 digital) A water-ZrO 2 dispersion dispersed under the conditions of 1 min was prepared and added to the above mixed solution to prepare a suspension for papermaking.
Then, the above-mentioned suspension for paper making is charged at a basis weight of 420 g / m 2 on the upstream side of a square column type batch type paper machine having an inner cross section of 7 cm × 7 cm, and a polyester fiber sheet with an opening of 50 μm is sandwiched on the downstream side. A non-woven web was produced on a polyester fiber sheet by applying a pressure of 10 kPa in absolute pressure. The produced web is dried in an oven at 90 ° C. for 2 hours, the polyester fiber sheet is removed, and hot pressing is performed with a batch-type hot press (manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd.) under conditions of 240 ° C., 15 MPa for 10 minutes. A ZrO 2 -CNF composite sheet was obtained.
The obtained sheet is immersed in a 90 wt% aqueous solution of H 2 SO 4 for 24 hr, dried in an oven at 90 ° C. for 2 hr, and then hot pressed under conditions of 240 ° C., 5 MPa for 10 minutes using a batch hot press. , A diaphragm for alkaline water electrolysis was obtained.
The obtained diaphragm had a thickness of 350 μm, a maximum pore diameter of 1.2 μm, and a porosity of 43%. And the cell voltage at the time of using the obtained diaphragm was 1.82 V at current density 0.60 A / cm < 2 >, and tensile breaking strength was 13 MPa. According to SEM observation, a part of fibers were bound, and in the binding evaluation of the whole film by ultrasonic cleaning, it was binding.

[比較例1]
抄紙用懸濁液に用いた2μm径PPS−水懸濁液の量を21g、20μm径PPS短繊維の量を841mgに変更した他は実施例1と同様の方法で、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは360μm、最大孔径は10.0μm、気孔率は40%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に2.20Vであり、引張破断強度は41MPaだった。繊維どうしの結着は無しであった
Comparative Example 1
A membrane for alkaline water electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of 2 μm diameter PPS-water suspension used in the papermaking suspension was changed to 21 g and the amount of 20 μm diameter PPS short fiber was changed to 841 mg. Obtained.
The thickness of the obtained diaphragm was 360 μm, the maximum pore diameter was 10.0 μm, and the porosity was 40%. And the cell voltage at the time of using the obtained diaphragm was 2.20 V at current density 0.60 A / cm < 2 >, and tensile breaking strength was 41 MPa. There was no binding between fibers

[比較例2]
抄紙用懸濁液に用いた2μm径PPS−水懸濁液の量を174g、20μm径PPS短繊維の量を76mgに変更した他は実施例1と同様の方法で、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは370μm、最大孔径は0.3μm、気孔率は80%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に1.70Vであり、引張破断強度は3MPaだった。繊維どうしの結着は無しであった
Comparative Example 2
A membrane for alkaline water electrolysis was prepared in the same manner as in Example 1 except that the amount of 2 μm diameter PPS-water suspension used for the papermaking suspension was changed to 174 g and the amount of 20 μm diameter PPS short fiber was changed to 76 mg. Obtained.
The thickness of the obtained diaphragm was 370 μm, the maximum pore diameter was 0.3 μm, and the porosity was 80%. And the cell voltage at the time of using the obtained diaphragm was 1.70 V at current density 0.60 A / cm < 2 >, and the tensile strength at break was 3 MPa. There was no binding between fibers

[比較例3]
抄紙用懸濁液に用いた2μm径PPS−水懸濁液の量を168g、20μm径PPS短繊維の量を632mg、ZrO2の量を368mgに、SBラテックスの量を204mgに変更した他は実施例1と同様の方法で、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは370μm、最大孔径は15.0μm、気孔率は10%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に2.50Vであり、引張破断強度は17MPaだった。繊維どうしの結着は無しであった
Comparative Example 3
The amount of 2 μm diameter PPS-water suspension used for the papermaking suspension is 168 g, the amount of 20 μm diameter PPS short fiber is 632 mg, the amount of ZrO 2 is 368 mg, and the amount of SB latex is 204 mg In the same manner as in Example 1, a diaphragm for alkaline water electrolysis was obtained.
The thickness of the obtained diaphragm was 370 μm, the maximum pore diameter was 15.0 μm, and the porosity was 10%. The cell voltage when using the obtained diaphragm was 2.50 V at a current density of 0.60 A / cm 2 , and the tensile strength at break was 17 MPa. There was no binding between fibers

[比較例4]
抄紙用懸濁液に用いた2μm径PPS−水懸濁液の量を185g、20μm径PPS短繊維の量を19mg、ZrO2の量を18.0gに変更した他は実施例1と同様の方法で、アルカリ水電解用隔膜を得た。
得られた隔膜の厚みは340μm、最大孔径は1.0μm、気孔率は40%であった。そして得られた隔膜を使用した場合のセル電圧は、電流密度0.60A/cm2時に1.80Vであり、引張破断強度は2MPaだった。繊維どうしの結着は無しであった
Comparative Example 4
Example 1 was repeated except that the amount of 2 μm diameter PPS-water suspension used in the papermaking suspension was 185 g, the amount of 20 μm diameter PPS short fiber was 19 mg, and the amount of ZrO 2 was 18.0 g. A diaphragm for alkaline water electrolysis was obtained by the method.
The thickness of the obtained diaphragm was 340 μm, the maximum pore diameter was 1.0 μm, and the porosity was 40%. And the cell voltage at the time of using the obtained diaphragm was 1.80 V at current density 0.60 A / cm < 2 >, and tensile breaking strength was 2 MPa. There was no binding between fibers

[物性の測定・評価方法]
以下、隔膜についての物性の測定・評価方法について説明する。
[Method of measuring and evaluating physical properties]
Hereinafter, a method of measuring and evaluating physical properties of the diaphragm will be described.

<最大孔径>
隔膜の最大孔径は、完全性試験機(ザルトリウス・ステディム・ジャパン社製、「Sartocheck Junior BP−Plus」)を使用して以下の方法で測定した。まず、隔膜を芯材も含めて所定の大きさに切り出して、これをサンプルとした。このサンプルを純水で濡らし、膜の孔内に純水を含浸させ、これを測定用の耐圧容器にセットした。次に、耐圧容器を所定温度に設定した恒温槽内で保持し、耐圧容器内部が所定温度になってから測定を開始した。測定が始まると、サンプルの上面側が窒素で加圧されていき、サンプルの下面側から150mL/分の割合で気泡が連続して発生してくるときの窒素圧力を、バブルポイント圧力とした。最大孔径はヤング−ラプラスの式を変形させた下記バブルポイント式から求めた。
最大孔径(m)=4γcosθ/P
ここで、γは水の表面張力(N/m)、cosθは隔膜表面と水との接触角(rad)、Pはバブルポイント圧力(Pa)である。
<Maximum pore size>
The maximum pore size of the diaphragm was measured by the following method using an integrity tester ("Sartocheck Junior BP-Plus" manufactured by Sartorius Japan Ltd.). First, the diaphragm, including the core material, was cut into a predetermined size and used as a sample. The sample was wetted with pure water, the pores of the membrane were impregnated with pure water, and this was set in a pressure container for measurement. Next, the pressure resistant container was held in a constant temperature bath set to a predetermined temperature, and the measurement was started after the inside of the pressure resistant container reached a predetermined temperature. When measurement starts, the upper surface side of the sample is pressurized with nitrogen, and the nitrogen pressure at which bubbles are continuously generated at a rate of 150 mL / min from the lower surface side of the sample is taken as the bubble point pressure. The maximum pore size was determined from the following bubble point equation obtained by transforming the Young-Laplace equation.
Maximum pore size (m) = 4γ cos θ / P
Here, γ is the surface tension (N / m) of water, cos θ is the contact angle (rad) between the diaphragm surface and water, and P is the bubble point pressure (Pa).

<親水性無機粒子の平均一次粒径>
隔膜の親水性無機粒子の平均一次粒径の測定は、走査型電子顕微鏡(SEM、日立ハイテクノロジーズ社製、「Miniscope TM3000」)を使用して行った。まず、隔膜を芯材も含めて所定の大きさに切り出して、これをサンプルとした。このサンプルに対して、マグネトロンスパッタ装置(真空デバイス社製、「MSP−1S型」)を用いて1分間メタルコーティングを行った。次に、このサンプルをSEMの観察用試料台にセットして測定を開始した。このとき、SEMによる観察が測定対象の膜表面の垂直方向から行えるように、測定試料である隔膜をセットした。測定を開始し、観察対象の無機粒子が見えるように倍率を調節(2万倍以上が好ましい)して撮像し、その撮像画面を画像として保存した。得られた画像は、画像解析ソフト(三谷商事社製、「WinROOF」)を用いて2値化し、凝集していない10点の無機粒子のそれぞれに対し絶対最大長を測定し、その個数平均を算出した。この平均を、親水性無機粒子の一次粒径とした。
<Average Primary Particle Size of Hydrophilic Inorganic Particles>
The measurement of the average primary particle size of the hydrophilic inorganic particles of the diaphragm was performed using a scanning electron microscope (SEM, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, “MiniscopeTM 3000”). First, the diaphragm, including the core material, was cut into a predetermined size and used as a sample. This sample was metal-coated for 1 minute using a magnetron sputtering apparatus (manufactured by Vacuum Device, “MSP-1S type”). Next, this sample was set on the observation sample stand of the SEM to start measurement. At this time, a diaphragm as a measurement sample was set so that observation by SEM could be performed from the vertical direction of the film surface to be measured. The measurement was started, the magnification was adjusted (preferably 20,000 times or more is preferable) so that the inorganic particles to be observed could be seen, and the imaged screen was stored as an image. The obtained image is binarized using image analysis software (manufactured by Mitani, "WinROOF"), the absolute maximum length is measured for each of 10 non-aggregated inorganic particles, and the number average is calculated. Calculated. This average was taken as the primary particle size of the hydrophilic inorganic particles.

<気孔率>
隔膜の気孔率は、電子天秤を用いて、25℃に保った室内で測定した。
隔膜を3cm×3cmの大きさ(9cm2)で3枚に切出して測定サンプルとし、シックネスゲージで厚みd(cm)を測定した。次いで、測定サンプルを純水中に24時間浸し、余分な水分を取り除いて、重量w1(g)を測定した。続いて、これらを50℃に設定した乾燥機内で12時間以上静置して乾燥させて、重量w2(g)を測定した。
測定対象の隔膜は、水接触面が非常に低吸水性であり、測定サンプルが水を含んだ状態と乾燥状態とで厚み及び面積が有意に変化しなかった。そのため、厚みd及び面積を一定値とみなして、下記式で、w1、w2の値から気孔率を求めた。
気孔率(%)={(w1−w2)/(d×9)}×100
3枚の測定サンプルについてそれぞれ気孔率を求め、それらの算術平均値を隔膜の気孔率εとした。
<Porosity>
The porosity of the diaphragm was measured in a room kept at 25 ° C. using an electronic balance.
The diaphragm was cut into 3 pieces of 3 cm × 3 cm (9 cm 2 ) to obtain a measurement sample, and the thickness d (cm) was measured with a thickness gauge. Next, the measurement sample was immersed in pure water for 24 hours to remove excess water, and the weight w1 (g) was measured. Subsequently, they were allowed to stand for 12 hours or more in a drier set at 50 ° C. for drying, and the weight w2 (g) was measured.
The diaphragm to be measured had a very low water absorption property on the water contact surface, and the thickness and the area of the measurement sample did not change significantly between the water-containing state and the dry state. Therefore, the thickness d and the area were regarded as constant values, and the porosity was determined from the values of w1 and w2 by the following equation.
Porosity (%) = {(w1-w2) / (d × 9)} × 100
The porosity was determined for each of the three measurement samples, and the arithmetic mean value of them was used as the porosity ε of the membrane.

<繊維の結着性有無>
高分子樹脂繊維の結着性は、SEM観察と超音波洗浄による繊維脱離有無を調査することによって、評価した。
また、超音波洗浄により膜全体としての結着性を評価した。
隔膜を3cm×3cmの大きさ(9cm2)で3枚に切出して測定サンプルとし、1.5Lの蒸留水を入れた超音波洗浄機(Branson社製、Model:1800)に投入し、周波数40kHz、音圧190Pa、190dbの超音波洗浄処理を10分間行うキャビテーション試験後にサンプルを取り出し、液中に含まれる高分子樹脂繊維の含有量がキャビテーション試験前のサンプルに含まれる高分子樹脂繊維の1質量%未満であれば結着性有りとし、1質量%以上であれば、結着性無しと判断した。
例として、図5に、実施例7で作製した膜の表面SEM像を示す。図5中の実線で囲まれている箇所が、バインダー繊維がつぶれて繊維同士が結着している箇所であり、図5中の点線で囲まれている箇所が繊維同士は結着していない箇所である。
この指標を基に、すべて実線で囲われているような状態になっている場合を“全体結着”、一部実線で囲われているような状態になっている場合を“部分結着”、すべて点線で囲われているよう状態になっている場合を“結着なし”と判断した。
<Attachability of fiber>
The binding property of the polymer resin fiber was evaluated by examining the presence or absence of fiber detachment by SEM observation and ultrasonic cleaning.
In addition, the integrity of the film as a whole was evaluated by ultrasonic cleaning.
The diaphragm is cut into 3 pieces of 3 cm × 3 cm (9 cm 2 ) and used as a measurement sample, and placed in an ultrasonic cleaner (Branson, Model: 1800) containing 1.5 L of distilled water, and a frequency of 40 kHz The sample is taken out after a cavitation test which performs ultrasonic cleaning treatment of sound pressure 190 Pa, 190 db for 10 minutes, and the content of the polymer resin fiber contained in the liquid is 1 mass of the polymer resin fiber contained in the sample before the cavitation test When it was less than%, it was determined that binding was present, and when it was 1% by mass or more, it was judged that binding was not present.
As an example, FIG. 5 shows a surface SEM image of the film produced in Example 7. The part surrounded by the solid line in FIG. 5 is the part where the binder fiber is crushed and the fibers are bound, and the part surrounded by the dotted line in FIG. It is a place.
Based on this index, when all is in a state enclosed by a solid line is "general binding" and when it is in a state partially enclosed by a solid line "partial binding" The case where it was all surrounded by a dotted line was judged as "no binding".

<引張破断応力>
温度23℃、湿度65%RHの雰囲気下において、JIS K 7161に準じた方法で測定した。アルカリ水電解用隔膜の縦方向、横方向に沿って、それぞれ幅10mm、長さ100mmに切り出したものを試験片とした。「オートグラフAGS−1kNX」(島津製作所社製)を用いて、チャック間長さ50mm、引張り速度100mm/分の条件で、試験片について引張り試験を行い、縦方向、横方向それぞれ5回の測定値の相加平均を引張破断強度(MPa)の測定値とした。下記評価基準により評価した。
[評価基準]
◎:縦方向及び横方向の引張破断強度の平均が25MPa超
○:縦方向及び横方向の引張破断強度の平均が10MPa超25MPa以下
△:縦方向及び横方向の引張破断強度の平均が5MPa超10MPa以下
×:縦方向及び横方向の引張破断強度の平均が5MPa以下
<Tension breaking stress>
It measured by the method according to JISK7161 in the atmosphere of temperature 23 degreeC and humidity 65% RH. Test pieces were cut into a width of 10 mm and a length of 100 mm along the longitudinal direction and the lateral direction of the alkaline water electrolysis diaphragm, respectively. Using “Autograph AGS-1kNX” (manufactured by Shimadzu Corporation), a tensile test is performed on the test piece under conditions of 50 mm chuck length and 100 mm / min tensile speed, and measurement is performed 5 times each in the longitudinal and transverse directions The arithmetic mean of the values was taken as the measured value of tensile strength at break (MPa). It evaluated by the following evaluation criteria.
[Evaluation criteria]
:: The average of the tensile breaking strength in the longitudinal direction and the transverse direction is more than 25 MPa ○: The average of the tensile breaking strength in the longitudinal direction and the transverse direction is more than 10 MPa and 25 MPa or less Δ: The average of the tensile breaking strength in the longitudinal direction and the transverse direction is more than 5 MPa 10 MPa or less ×: Average of tensile rupture strength in the longitudinal direction and transverse direction is 5 MPa or less

[電解試験]
実施例及び比較例の隔膜を用いて、電流密度が10kA/m2の高電流密度下で連続して2500時間通電し、アルカリ水電解を行った。
2500時間後、各実施例及び比較例ごとに4つの電解セルの対電圧の平均値を算出し、セル電圧(V)として評価した。
[Electrolysis test]
Using the diaphragms of the example and the comparative example, alkaline water electrolysis was performed by continuously applying electricity for 2500 hours under a high current density of 10 kA / m 2 .
After 2500 hours, the average value of the pair voltage of four electrolytic cells was calculated for each example and comparative example, and evaluated as the cell voltage (V).

以下、使用した複極式電解槽及び電解システムについて説明する。   Hereinafter, the used bipolar electrolytic cell and the electrolytic system will be described.

[複極式電解槽]
陽極ターミナルエレメント、陰極ターミナルエレメント、4個の複極式エレメントから
構成される、図1のような、複極式ゼロギャップ構造の電解槽を作製した。各電解槽には
それぞれの実施例及び比較例の隔膜が組み込まれている。
電極は、陽極及び陰極共にNiエクスパンドメタルを用いた。
電解槽のヘッダー管の配設は外部ヘッダー型とした。
[Bipolar electrolysis cell]
An electrolyzer having a bipolar zero gap structure as shown in FIG. 1 composed of an anode terminal element, a cathode terminal element, and four bipolar elements was produced. The diaphragms of the respective examples and comparative examples are incorporated in each electrolytic cell.
As the electrodes, Ni expanded metal was used for both the anode and the cathode.
The header pipe of the electrolytic cell was an external header type.

<ガスケット>
ガスケットは、厚み4.0mmの内寸60mm×50mmの四角形状のもので、
内側に隔膜を挿入することで保持するためのスリット構造を有するものを使用した。スリット構造は、隔膜の縁部を収容するためにガスケット内側に0.4mmの隙間を幅方向6mmに設けた構造とした。このガスケットは、フッ素系ゴムを材質とし、100%変形時の弾性率が4.0MPaであった。
<Gasket>
The gasket is a square with a 4.0 mm thickness and an inner dimension of 60 mm × 50 mm,
The one having a slit structure for holding by inserting the diaphragm inside was used. In the slit structure, a 0.4 mm gap is provided in the width direction 6 mm inside the gasket in order to accommodate the edge of the diaphragm. The gasket was made of fluorine-based rubber and had an elastic modulus of 4.0 MPa at 100% deformation.

<導電性弾性体>
導電性弾性体は、線径0.15mmのニッケル製ワイヤーを織ったものを、波高さ5m
mになるように波付け加工したものを使用した。厚みは5mmであり、50%圧縮変形時
の反発力は150g/cm2、メッシュ数は5メッシュ程度であった。
<Conductive elastic body>
The conductive elastic body has a wave height of 5 m, which is a woven nickel wire with a wire diameter of 0.15 mm.
It used what was wave-processed so that it might become m. The thickness was 5 mm, the repulsive force at 50% compression deformation was 150 g / cm 2 , and the number of meshes was about 5 mesh.

<複極式エレメント>
複極式エレメントは、90mm×70mmの長方形で、陽極及び陰極の面積は58mm×48mmとした。また陽極室の深さ(陽極室深さ)は10mm、陰極室の深さ(陰極室深さ)10mmとし、材質をニッケルとした。高さ11mm、厚み1.5mmのニッケル製の陽極リブと、高さ11mm、厚み1.5mmのニッケル製の陰極リブを溶接により取り付けたニッケル製の隔壁の厚みは2mmとした。
<Bipolar element>
The bipolar element was a 90 mm × 70 mm rectangle, and the area of the anode and the cathode was 58 mm × 48 mm. The depth of the anode chamber (anode chamber depth) was 10 mm, the depth of the cathode chamber (cathode chamber depth) 10 mm, and the material was nickel. The thickness of the nickel partition wall to which 11 mm high and 1.5 mm thick anode rib and 11 mm high and 1.5 mm thick cathode rib attached by welding was 2 mm.

集電対として、厚み1mm、開口部の横方向長さ4.5mm、縦方向長さ3.2mmのニッケルエキスパンドメタルを用いた。上述した導電性弾性体を、集電対上にスポット溶接して固定した。このゼロギャップ複極式エレメントを、60mm×50mmの隔膜を介してスタックさせることで、陰極と陽極が隔膜に押し付けられたゼロギャップ構造を形成した。   A nickel expanded metal having a thickness of 1 mm, an opening length of 4.5 mm, and a longitudinal length of 3.2 mm was used as a current collection pair. The conductive elastic body described above was fixed by spot welding on the current collector. The zero gap bipolar element was stacked through a 60 mm × 50 mm diaphragm to form a zero gap structure in which the cathode and the anode were pressed against the diaphragm.

[電解システム]
上記複極式電解槽を、図4に示す電解装置70に組み込んでアルカリ水電解に使用した。
以下、図4を参照しながら、電解システムの概略を説明する。
気液分離タンク72及び外部ヘッダー型の複極式電解槽50には、電解液として30%KOH水溶液が封入されている。この電解液は、送液ポンプ71により、陽極室と陽極用気液分離タンク(酸素分離タンク72o)との間、陰極室と陰極用気液分離タンク(水素分離タンク72h)との間をそれぞれ循環している。電解液の流量は、流量計77で測定して10L/minに、温度は、熱交換器79によって120℃に調整した。循環流路の電解液接液部には、SGP炭素鋼配管にテフロン(登録商標)ライニング内面処理を施した、20Aの配管を用いた。
気液分離タンク72(72h及び72o)は、高さ500mm、容積0.02m3のものを使用した。各気液分離タンク72h及び72oの液量は、設計容積の50%程度とした。整流器74から、各電解セルの陰極及び陽極に対して、所定の電極密度で通電した。
通電開始後のセル内圧力は、圧力計78で測定し、陰極側圧力が301kPa、酸素側圧力が300kPaとなるとように調整した。圧力調整は、圧力計78の下流に圧力制御弁80を設置し、これにより行った。
[Electrolysis system]
The above-mentioned bipolar electrolytic cell was incorporated into the electrolytic device 70 shown in FIG. 4 and used for alkaline water electrolysis.
Hereinafter, the outline of the electrolysis system will be described with reference to FIG.
In the gas-liquid separation tank 72 and the external header type bipolar electrolytic cell 50, a 30% KOH aqueous solution is enclosed as an electrolytic solution. The electrolytic solution is supplied between the anode chamber and the anode gas-liquid separation tank (oxygen separation tank 72o) by the liquid feed pump 71, and between the cathode chamber and the cathode gas-liquid separation tank (hydrogen separation tank 72h). It is circulating. The flow rate of the electrolytic solution was adjusted to 10 L / min as measured by the flow meter 77, and the temperature was adjusted to 120 ° C. by the heat exchanger 79. As the electrolyte solution contact portion of the circulation flow passage, a 20A piping was used, in which the SGP carbon steel piping was subjected to Teflon (registered trademark) lining inner surface processing.
The gas-liquid separation tank 72 (72 h and 72 o) used had a height of 500 mm and a volume of 0.02 m 3 . The amount of liquid in each of the gas-liquid separation tanks 72h and 72o was about 50% of the design volume. Electricity was supplied from the rectifier 74 to the cathode and the anode of each electrolysis cell at a predetermined electrode density.
The pressure in the cell after the start of energization was measured by the pressure gauge 78, and adjusted so that the pressure on the cathode side was 301 kPa and the pressure on the oxygen side was 300 kPa. Pressure adjustment was performed by installing a pressure control valve 80 downstream of the pressure gauge 78.

なお、整流器74としては、(株)三社電機製作所社製のKCA2F7−15−2500CLを用いた。
酸素濃度計75としては、アドバンストインストゥルメンツ社製のGPR−2500を用いた。
水素濃度計76としては、理研計器(株)社製のSD−D58・ACを用いた。
圧力計78としては、横河電機(株)社製のEJA−118Wを用いた。
流量計77、熱交換器79、送液ポンプ71、気液分離タンク72(72h及び72o)、水補給器73等は、いずれも当該技術分野において通常使用されるものを用いた。
As the rectifier 74, KCA2F7-15-2500CL manufactured by Sansha Electric Mfg. Co., Ltd. was used.
As the oximeter 75, GPR-2500 manufactured by Advanced Instruments was used.
As the hydrogen concentration meter 76, SD-D58 · AC manufactured by Riken Keiki Co., Ltd. was used.
As the pressure gauge 78, EJA-118W manufactured by Yokogawa Electric Corporation was used.
As the flow meter 77, the heat exchanger 79, the liquid feed pump 71, the gas-liquid separation tanks 72 (72 h and 72 o), the water supplier 73 and the like, those commonly used in the relevant technical field were used.

本発明によれば、多孔膜の孔径制御を目的とした細い高分子樹脂繊維と無機化合物とによって、高イオン導電率と高ガス遮断性とを両立したアルカリ水電解用隔膜を提供することができ、さらに、引っ張り破断強度向上を目的とした太い高分子樹脂繊維を含有させて長期運転時における膜破れやピンホールの形成を抑制することができる。本発明によれば、長期に亘り低いセル電圧を保ったまま高効率で水素製造を可能とする大型の工業用水電解槽を提供することができる。本発明によれば、アルカリ水電解槽用の隔膜の大面積化が容易で、大型の隔膜を工業的に提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a diaphragm for alkaline water electrolysis in which high ion conductivity and high gas barrier property are compatible by the thin polymer resin fiber and the inorganic compound for the purpose of controlling the pore diameter of the porous film. Furthermore, thick polymer resin fibers for the purpose of improving the tensile strength at break can be contained to suppress film breakage and formation of pinholes during long-term operation. According to the present invention, it is possible to provide a large-scale industrial water electrolytic cell that enables hydrogen production with high efficiency while maintaining a low cell voltage for a long time. According to the present invention, it is easy to increase the area of a diaphragm for an alkaline water electrolytic cell, and a large diaphragm can be industrially provided.

1 隔壁
2 電極
2a 陽極
2c 陰極
2e 導電性弾性体
2r 集電体
3 外枠
4 隔膜
5 電極室
5a 陽極室
5c 陰極室
6 整流板(リブ)
7 ガスケット
50 複極式電解槽
51g ファストヘッド、ルーズヘッド
51i 絶縁板
51a 陽極ターミナルエレメント
51c 陰極ターミナルエレメント
51r タイロッド
60 複極式エレメント
65 電解セル
70 電解装置
71 送液ポンプ
72 気液分離タンク
72h 水素分離タンク
72o 酸素分離タンク
73 水補給器
74 整流器
75 酸素濃度計
76 水素濃度計
77 流量計
78 圧力計
79 熱交換器
80 圧力制御弁
D1 隔壁に沿う所与の方向(電解液通過方向)
Z ゼロギャップ構造
Reference Signs List 1 partition 2 electrode 2a anode 2c cathode 2e conductive elastic body 2r current collector 3 outer frame 4 diaphragm 5 electrode chamber 5a anode chamber 5c cathode chamber 6 rectifying plate (rib)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 7 gasket 50 bipolar type electrolytic cell 51g fast head, loose head 51i insulating plate 51a anode terminal element 51c cathode terminal element 51r tie rod 60 bipolar type element 65 electrolysis cell 70 electrolysis apparatus 71 liquid feed pump 72 gas liquid separation tank 72h hydrogen separation Tank 72o Oxygen separation tank 73 Water supply device 74 Flow regulator 75 Oximeter 76 Hydrogen concentration meter 77 Flow meter 78 Pressure gauge 79 Heat exchanger 80 Pressure control valve D1 Given direction along the partition (direction of electrolyte passage)
Z zero gap structure

Claims (12)

少なくとも1種類の高分子樹脂繊維と、無機化合物とを含む高分子多孔膜で構成され、
前記高分子樹脂繊維が、少なくとも、0.1μm以上5.0μm未満の範囲の繊維径を有する高分子樹脂繊維(A)と、5.0μm以上100μm以下の範囲の繊維径を有する高分子樹脂繊維(B)とで構成されており、前記高分子樹脂繊維100質量%に対して、前記高分子樹脂繊維(A)を20質量%〜80質量%、前記高分子樹脂繊維(B)を20質量%〜80質量%有し、
前記無機化合物の含有量が、前記高分子樹脂繊維(A)及び前記高分子樹脂繊維(B)と前記無機化合物との合計量100質量%に対して50質量%〜90質量%含む
ことを特徴とする、アルカリ水電解用隔膜。
It is composed of a porous polymer membrane containing at least one type of polymer resin fiber and an inorganic compound,
The polymer resin fiber has a polymer resin fiber (A) having a fiber diameter of at least 0.1 μm to less than 5.0 μm, and a polymer resin fiber having a fiber diameter of 5.0 μm to 100 μm. 20% by mass to 80% by mass of the polymer resin fiber (A) and 20% by mass of the polymer resin fiber (B) with respect to 100% by mass of the polymer resin fiber % To 80% by mass,
The content of the inorganic compound is 50% by mass to 90% by mass with respect to 100% by mass of the total amount of the polymer resin fiber (A) and the polymer resin fiber (B) and the inorganic compound. A diaphragm for alkaline water electrolysis.
前記無機化合物が、親水性無機粒子である、請求項1に記載のアルカリ水電解用隔膜。   The diaphragm for alkaline water electrolysis according to claim 1, wherein the inorganic compound is a hydrophilic inorganic particle. 前記高分子樹脂繊維(A)の平均繊維径(Da)と、前記親水性無機粒子の平均一次粒径(Di)との比(Di/Da)が0.05〜3の範囲である、請求項2に記載のアルカリ水電解用隔膜。   The ratio (Di / Da) of the average fiber diameter (Da) of the polymer resin fiber (A) to the average primary particle diameter (Di) of the hydrophilic inorganic particles is in the range of 0.05 to 3 The diaphragm for alkaline water electrolysis as described in claim 2. 気孔率が30%以上90%以下であり、最大孔径が0.2μm以上2.0μm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用隔膜   The diaphragm for alkaline water electrolysis according to any one of claims 1 to 3, wherein the porosity is 30% or more and 90% or less and the maximum pore diameter is 0.2 μm or more and 2.0 μm or less. 前記高分子樹脂繊維が、ポリフェニレンサルファイドであり、前記高分子多孔膜の膜厚が100μm以上500μm以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用隔膜。   The diaphragm for alkaline water electrolysis as described in any one of Claims 1-4 whose said polymeric resin fiber is a polyphenylene sulfide and the film thickness of the said polymeric porous film is 100 micrometers or more and 500 micrometers or less. 前記高分子樹脂繊維の一部が、前記高分子樹脂繊維と結着している、請求項5に記載のアルカリ水電解用隔膜。   The diaphragm for alkaline water electrolysis according to claim 5, wherein a part of the polymer resin fiber is bound to the polymer resin fiber. 前記無機化合物が、少なくともジルコニウムを含む、請求項1〜6のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用隔膜。   The diaphragm for alkaline water electrolysis according to any one of claims 1 to 6, wherein the inorganic compound contains at least zirconium. 前記高分子多孔膜が、さらに多孔性支持体を含む、請求項1〜7のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用隔膜。   The diaphragm for alkaline water electrolysis as described in any one of Claims 1-7 in which the said polymeric porous membrane further contains a porous support body. 前記多孔性支持体が、メッシュ、不織布、織布、及び不織布と前記不織布に内在する織布とを含む複合布からなる群より選ばれるいずれか1種である、請求項8に記載のアルカリ水電解用隔膜。   The alkaline water according to claim 8, wherein the porous support is any one selected from the group consisting of a mesh, a non-woven fabric, a woven fabric, and a composite fabric comprising a non-woven fabric and a woven fabric inherent to the non-woven fabric. Membrane for electrolysis. 前記多孔性支持体が、ポリフェニレンサルファイドを含む、請求項8又は9に記載のアルカリ水電解用隔膜。   The diaphragm for alkaline water electrolysis according to claim 8 or 9, wherein the porous support contains polyphenylene sulfide. 請求項1〜10のいずれか1項に記載のアルカリ水電解用隔膜を備え、
陰極及び陽極を含む複数の複極式エレメントが、前記アルカリ水電解用隔膜を挟んで重ね合わされ、
前記アルカリ水電解用隔膜が前記陰極及び前記陽極と接触してゼロギャップ構造が形成されている
ことを特徴とする、アルカリ水電解用複極式電解槽。
The diaphragm for alkaline water electrolysis according to any one of claims 1 to 10, comprising:
A plurality of bipolar elements including a cathode and an anode are stacked with the alkaline water electrolysis diaphragm interposed therebetween,
A bipolar electrolytic cell for alkaline water electrolysis, wherein the alkaline water electrolysis diaphragm is in contact with the cathode and the anode to form a zero gap structure.
(A)前記高分子樹脂繊維と前記親水性無機粒子とを70:30〜30:70の体積比で含むスラリーを300〜1000g/m2の目付で湿式抄紙することによりウェブを形成する工程、
(B)前記工程(A)で得られた前記ウェブを60℃〜90℃で乾燥した後、120℃〜260℃、30MPa〜70MPaの条件でホットプレスする工程、
を含む、請求項1〜10のいずれか一項に記載のアルカリ水電解用隔膜の製造方法。
(A) a step of forming a web by wet papermaking with a fabric weight of 300 to 1000 g / m 2 of a slurry containing the polymer resin fiber and the hydrophilic inorganic particles at a volume ratio of 70:30 to 30:70,
(B) a step of drying the web obtained in the step (A) at 60 ° C. to 90 ° C. and then hot pressing it under conditions of 120 ° C. to 260 ° C., 30 MPa to 70 MPa;
The manufacturing method of the diaphragm for alkaline water electrolysis as described in any one of Claims 1-10 which contains these.
JP2017191948A 2017-09-29 2017-09-29 Alkaline water electrolysis diaphragm and its manufacturing method, multi-pole electrolytic cell Active JP7009146B2 (en)

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