JP5297583B2

JP5297583B2 - 電解用隔膜

Info

Publication number: JP5297583B2
Application number: JP2006267058A
Authority: JP
Inventors: 隆佐藤; 和彦池尻
Original assignee: Daiwabo Holdings Co Ltd; Daiwabo Progress Co Ltd
Current assignee: Daiwabo Holdings Co Ltd; Daiwabo Progress Co Ltd
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: JP2008088449A

Description

本発明は、水等の電気分解により水素ガスや酸素ガスなどを生成する電解装置に使用される電解用隔膜に関する。

水素ガスは、潜在的に豊富な燃料であり、環境負荷が少ないといった利点からクリーンな燃料として注目されており、従来から、溶接用燃料等として工業的に広く利用されている。又、近年、燃料電池自動車等の研究開発が精力的に進められている。水素ガスは、石油類の改質や高炉ガス及びコークス炉からも得られるが、その製造方法の一つに水の電気分解がある。水を電気分解する場合には、一般的に電解液の導電性を高めるために水酸化カリウムや水酸化ナトリウム等のアルカリ化合物を電解質として水に添加し、直流電圧を両極間に印加することにより行われている。

電解液を収容する電解槽は、隔膜を介して陽極室と陰極室に仕切られ、それぞれの電極で生成した酸素ガスと水素ガスが隔膜により遮断されて混合しないよう構成されている。電解用隔膜として、ポリオレフィン系繊維糸の織布から構成し、その織布に対して水酸化ナトリウム等の非溶解状態で固体の電解質を予め含浸することにより、電極間に存在する電解液中のイオンの流れを円滑にする技術が提案されている（特許文献１参照）。

又、電解槽の電解用隔膜として、ポリフェニレンスルフィド繊維からなる織布を濃硫酸に浸漬し、水で洗浄した後に高温で乾燥させることにより、高い耐熱性と適度な電気伝導性を備える技術が提案されている（特許文献２参照）。

特開２００６−０３７１７０号公報特開２００２−３３２５８６号公報

上記特許文献１に記載された電解用隔膜は、ポリオレフィン系繊維糸の織布からなり、その織布の厚みと重量及び経糸・緯糸密度が記載されているものの、経糸・緯糸の繊度を大きくするとイオンの通過を阻害し、経糸・緯糸の繊度を小さくすると水素ガスと酸素ガスを分離できないという不都合を生じることが判明した。又、本発明に係る電解用隔膜を使用する電解装置においては、電解液の濃度を高めることにより電解効率を向上させることができ、電解温度や電解槽内の圧力を高めることも同様の効果を奏する。しかしながら、上記特許文献１に記載された電解用隔膜は、例えばポリプロピレン繊維糸からなる織布の場合、ポリプロピレンの融点が１５５〜１７０℃であるため、電解槽における操作温度がより高くなった場合には使用ができなくなる。

上記特許文献２に記載された電解用隔膜は、ポリフェニレンスルフィド繊維からなる織布を濃硫酸に浸漬し、水で洗浄した後に高温で乾燥させていることにより高い耐熱性を有するものの、織布の厚さと重量のみしか記載されておらず、実際には、織布の経糸の繊度及び織密度、緯糸の繊度及び織密度によっては、目ずれ（織物密度のバラツキ）を生じることにより、電解用隔膜として使用に適さないという不都合を生じることが判明した。

本発明は、以上のような従来技術に鑑みてなされたものであり、電解効率の向上に有効な電解用隔膜を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明に係る電解用隔膜は、電解液を収容する電解槽の陽極と陰極の間に配設され、電気分解によりそれぞれの電極で生成した気体を分離状態に保持する電解用隔膜であって、前記電解用隔膜が繊度１５００〜２５００デニールのマルチフィラメント糸を緯糸に用い、カバーファクター（ＣＦ）が３６００〜４５００で製織された織布であることを特徴としている。なお、カバーファクター（ＣＦ）は次式で算定する。カバーファクター（ＣＦ）＝経糸の繊度^0.5×経糸本数（本／インチ）＋緯糸の繊度^0.5×緯糸本数（本／インチ）。この数値範囲にある織布は、電解用隔膜としての耐久性を維持しながら、電解液中での十分なイオン移動特性を実現することができる。前記数値範囲から外れた織布を使用した場合、即ち、カバーファクター（ＣＦ）が３６００より小さい織布の場合には、電解液中での生成ガスの分離機能が低下するため電解用隔膜に適さず、カバーファクター（ＣＦ）が４５００より大きい織布の場合には、織布内部の隙間が少なくなるため、電解質を溶解させた処理液の織布内部への浸透性が低下し、その含浸効果が不安定になりやすい。カバーファクター（ＣＦ）の好ましい範囲は、３８００〜４２００であり、より好ましい範囲は、４０００〜４２００である。

さらに、前記織布がポリフェニレンするフィド繊維糸を含み、厚さが０．６〜１．１ｍｍであることが好ましい。織布の厚さが０．６ｍｍより小さいと電解槽での取り付けに際し、不都合があると共に電解液中での生成ガスの分離機能が低下する。又、織布の厚さが１．１ｍｍより大きいと電解液中のイオンの流れが不安定になりやすい。

以上のように、本発明に係る電解用隔膜として用いる織布が繊度１５００〜２５００デニールのマルチフィラメント糸を緯糸に用い、カバーファクター（ＣＦ）が３６００〜４５００で製織した織布を使用すれば、電解用隔膜としての機能をより向上させ、電解効率の向上にも有効である。又、ポリフェニレンスルフィド繊維糸を含んだ織布を使用すれば、ポリフェニレンスルフィドが本質的に備える高い耐熱性と剛性、耐薬品性から、種々の処理条件に対して適用が可能である。

本発明に係る電解用隔膜は、水の電気分解による水素ガス及び酸素ガスの生成装置に好適に用いられ、酸素ガスと水素ガスの混合を防ぐ目的にて用いられるものである。電解用隔膜の織布を構成するマルチフィラメントからなる糸は、電解液中においてイオンは自由に通過させるが、両方の電極で生成した気泡状態のガスが通過できない程度の密度に製織される。

本発明の電解用隔膜を構成する織布の緯糸に使用されるマルチフィラメント糸は、その繊度が１５００〜２５００デニールであるが、これは、トータルデニールであって、実際の使用に際しては、双糸として撚りあわせて使用するとより糸の強度が増し好ましい。又、双糸にこだわらず、３本子、４本子等自由に組み合わせが可能である。例えば、４本子の糸同士を更に撚り合わせて用いることも可能である。

ここで、糸の撚り方向には、左撚（以下、Ｚ撚りという）と右撚（以下、Ｓ撚りという）がある。前述の４本子の糸同士を更に撚り合わせた糸を緯糸に用いる場合には、撚り方向として同じ方向に撚りをかけた糸を用いることが好ましい（最初の撚り方向（下撚り）：Ｓ撚りの場合、次の撚り方向（上撚り）：Ｓ撚りといった具合）。こうすることにより撚り合わされた糸がより固くしまり、通気度を大きくすることができるからである。なお、本明細書では、例えば、２５０デニールのマルチフィラメント糸を４本撚り合わせ、更に４本を撚り合わせたもの同士を撚り合わせた糸を「２５０デニール／４／２」と表示し、この場合のトータルデニールは、２５０×４×２＝２０００デニールとしている。

本発明の電解用隔膜を構成する織布として通気度は、５００〜６６０ｃｃｍ、その目付量を５４０〜６６０ｇ／ｍ²となるように製織したものを使用すれば、いずれの場合においても電解用隔膜としての機能をより向上させ、電解効率の向上にも有効である。

本発明の電解用隔膜を構成する織布の製織方法としては、特に問わない。織物組織も平織、綾織、朱子織の他、これらを組み合わせた織り方あるいは変化させたパイル織、紋織等を採用することができるが、十分な強度や耐摩耗性を有する電解用隔膜を得るためには、綾織とすることが好ましい。

上記のようにして得られた織布を電解用隔膜と使用するためには精練処理が施される。この処理は、織布中に残留している油分を除去するためのものである。

＜精練処理＞
精練薬剤としてソーダ灰及び非イオン系精練剤を混合したものを溶解させた溶解液中で前記得られた織布を浸漬する。
＜洗浄、乾燥＞
精練処理後の織布に湯洗、水洗を施し、乾燥させる。

精練処理後の織布の残留油分は、０．００５％以下にすることが好ましい。残留油分が、０．００５％より大きいと電解用隔膜として使用した場合、泡立ちが発生する場合があるからである。

精練処理、洗浄、乾燥後の織布は、形態及び寸法安定性を図るため、ヒートセット処理を施す。

＜残留油分の測定方法＞
残留油分は、ＪＩＳＬ−１０１３（化学繊維フィラメント糸試験方法）に準じて測定した。織布に含まれる油分をメタノールで抽出し、その後メタノールを蒸発させ、残った油分の重量を織布重量で除した数値を算出した。

＜通気度の測定方法＞
通気度は、ＪＩＳＬ−１０９６に準じて測定した。

次に、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明はその要旨を逸脱しない限り以下の実施例に限定されないことはいうまでもない。

図１は、本発明の実施例に係る電解用隔膜を適用した電解装置の概略説明図である。図中、１０は電解槽であり、その内部に電解液１１が収容され、さらに本発明に係る電解用隔膜１２により陽極室と陰極室とに仕切られている。陽極室と陰極室には、それぞれ電極１３が配設されるとともに、それら陽極室と陰極室の上部に電気分解で生成した気体を外部に導くための集気管１４が設けられている。なお、電極の素材としては、ステンレススチール、金、白金、パラジウム、イリジウム、ニッケル、鉄、亜鉛、チタン等の導電性素材、あるいはそれらの素材に必要に応じてコーティング等の適宜の表面処理を施したものなどが使用される。

（実施例１）
前記電解槽１０内に配設された電解用隔膜１２は、ポリフェニレンスルフィド繊維糸からなる織布である。実施例１で用いた織布の仕様は、経方向がポリフェニレンスルフィドのマルチフィラメント糸２５０デニール／２（撚り数：５回／インチＺ撚り）を１１９．５本／インチ、緯方向がポリフェニレンスルフィドのマルチフィラメント糸２５０デニール／４／２（撚り数：下、上撚３回／インチＳ撚り）を３１本／インチの密度で綾織にて製織したもので、その厚さと目付量は、それぞれ０．８７ｍｍ、５５０ｇ／ｍ²である。通気度は、６２０ｃｃｍである。
・緯糸の繊度２０００デニール
・カバーファクター（ＣＦ）４０５８

前記織布をソーダ灰２ｇ／Ｌ、非イオン系精練剤１ｇ／Ｌを溶解させた溶解液中に、９５℃にて３０分間浸漬する精練処理を施した後、３０分間湯洗い、１５分間水洗いを施し、１４０℃の蒸気シリンダーにて乾燥させ、２００℃でヒートセットを施した。処理後の残留油分は、０．００４５％であった。

（実施例２）
実施例２で用いた織布の仕様は、経方向がポリフェニレンスルフィドのマルチフィラメント糸２５０デニール／２（撚り数：５回／インチＺ撚り）を１１９．５本／インチ、緯方向がポリフェニレンスルフィドのマルチフィラメント糸２５０デニール／６（撚り数：３回／インチＳ撚り）を３８本／インチの密度で綾織にて製織したもので、その厚さと目付量は、それぞれ０．９５ｍｍ、５２０ｇ／ｍ²である。通気度は、６００ｃｃｍである。
・緯糸の繊度１５００デニール
・カバーファクター（ＣＦ）４１４４
製織後、実施例１と同様の精練、洗浄、乾燥及びヒートセット処理を行った。処理後の残留油分は、０．００４６％であった。

（実施例３）
実施例３で用いた織布の仕様は、経方向がポリフェニレンスルフィドのマルチフィラメント糸２５０デニール／２（撚り数：５回／インチＺ撚り）を１１９．５本／インチ、緯方向がポリフェニレンスルフィドのマルチフィラメント糸２５０デニール／５／２（撚り数：３回／インチＳ撚り）を３０本／インチの密度で綾織にて製織したもので、その厚さと目付量は、それぞれ１．１０．ｍｍ、６３５ｇ／ｍ²である。通気度は、５８０ｃｃｍである。
・緯糸の繊度２５００デニール
・カバーファクター（ＣＦ）４１７２
製織後、精練処理の浸漬時間を２４時間にして精練処理を施した後、実施例１と同様の洗浄、乾燥及びヒートセット処理を行った。処理後の残留油分は．０．００３％であった。

（比較例）
前記電解槽１０内に配設された電解用隔膜１２は、実施例と同様ポリフェニレンスルフィド繊維糸からなる織布である。比較例で用いた織布の仕様は、経方向がポリフェニレンスルフィドのマルチフィラメント糸２５０デニール／２（撚り数：５回／インチＺ撚り）を１２１５本／インチ、緯方向がポリフェニレンスルフィドのマルチフィラメント糸２５０デニール／２（撚り数：３回／インチＳ撚り）を３８．５本／インチの密度で綾織にて製織したもので、その厚さと目付量は、それぞれ０．５３ｍｍ、３４３ｇ／ｍ²である。通気度は、８１２ｃｃｍである。
・緯糸の繊度５００デニール
・カバーファクター（ＣＦ）３５６６
本比較例に係る織布は、目ずれ（織物密度のバラツキ）を生じ、電解用隔膜として使用に適さないものであった。

前記電解装置の使用方法について説明すると、電解槽１０には電解液１１として４５重量％の水酸化ナトリウム水溶液が収容され、所定の直流電圧を電極１３に印可すると、電解液１１中では電解用隔膜１２をはさんでイオンが各々の電極１３に向けて移動し、陽極室では酸素ガス、陰極室では水素ガスが生成する。電極１３の表面で生成したそれらのガスは、電解用隔膜１２により電解液１１内で混合することなく確実に分離され、各電極室内でそれぞれ気泡となって上昇し、電解槽１０の上部に設けられた集気管１４を介して外部に設けられたタンク等に収集される。以上のように、本実施例１〜３の電解用隔膜によれば、電解液との親和性が良好で電解液中のイオンの移動特性を阻害せず、しかも素材自体が化学的にきわめて安定で、素材自体の耐熱性がそのまま維持されることから、高い温度での電気分解を行うことで、電解効率をより向上させることも可能である。

本発明の実施例に係る電解用隔膜を適用した電解装置の概略図である。

符号の説明

１０電解槽
１１電解液
１２電解用隔膜
１３電極
１４集気管

Claims

電解液を収容する電解槽の陽極と陰極の間に配設され、電気分解によりそれぞれの電極で生成した気体を分離状態に保持する電解用隔膜であって、前記電解用隔膜が繊度１５００〜２５００デニールのマルチフィラメント糸を緯糸に用い、カバーファクター（ＣＦ）が３６００〜４５００で製織された織布である電解用隔膜。
前記織布がポリフェニレンスルフィド繊維糸を含み、厚さが０．６〜１．１ｍｍで製織したものである請求項１に記載の電解用隔膜。
前記織布の織組織が、平織、綾織または朱子織のいずれかである請求項１又は２に記載の電解用隔膜。
前記織布を精練処理し、残留油分を０．００５％以下とした請求項１〜３のいずれか一項に記載の電解用隔膜。