JP7284001B2 - Diaphragm for alkaline water electrolysis and method for producing the diaphragm - Google Patents

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Description

本発明は、アルカリ水電解用隔膜ならびに該隔膜の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a diaphragm for alkaline water electrolysis and a method for producing the diaphragm.

近年エネルギー源として注目を集めている水素ガスの工業的な製造方法の一つとして水の電気分解が知られている。水の電気分解は、一般的に、導電性を高めるために水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等を電解質として添加した水に、直流電流を印加することにより行われている。そのような水の電気分解には、陽極室と陰極室を有し、これらが隔膜により仕切られた電解槽が使用される。 Electrolysis of water is known as one of the industrial production methods of hydrogen gas, which has been attracting attention as an energy source in recent years. Electrolysis of water is generally performed by applying a direct current to water to which sodium hydroxide, potassium hydroxide, or the like has been added as an electrolyte in order to increase conductivity. For such electrolysis of water, an electrolytic cell having an anode compartment and a cathode compartment separated by a diaphragm is used.

水の電気分解は、電子(又はイオン)の移動により行われる。そのため、電気分解を効率よく行うためには、隔膜には高いイオン透過性が必要とされる。また、陽極室で発生した酸素と、陰極室で発生した水素とを遮断し得るガスバリア性が必要とされる。水の電気分解では、30%程度の高濃度のアルカリ性水溶液が使用され、80~90℃程度で行われる。このため、水の電気分解に使用されるアルカリ水電解用隔膜には耐高温や耐アルカリ性も必要とされる。また、アルカリ水電解用隔膜としては、より高いイオン伝導性とより高いガスバリア性を両立した隔膜が求められていた。 Electrolysis of water is performed by the transfer of electrons (or ions). Therefore, in order to perform electrolysis efficiently, the diaphragm is required to have high ion permeability. In addition, it is required to have gas barrier properties capable of blocking oxygen generated in the anode chamber and hydrogen generated in the cathode chamber. The electrolysis of water uses a highly concentrated alkaline aqueous solution of about 30% and is carried out at about 80 to 90°C. Therefore, a diaphragm for alkaline water electrolysis used for electrolysis of water is required to have high temperature resistance and alkali resistance. Further, as a diaphragm for alkaline water electrolysis, a diaphragm that achieves both higher ion conductivity and higher gas barrier properties has been demanded.

アルカリ水電解用隔膜としては、非溶媒誘起相分離法(NIPS)によって製造された多孔性膜がこれまでに種々提案されている。
非溶媒誘起相分離法による製膜について、非特許文献1には、ポリスルホン、ジルコニアとポリビニルピロリドンを含む樹脂溶液から非溶媒誘起相分離法にて製造した多孔膜が記載されている。しかしながら、使用するポリビニルピロリドンの分子量ならびに該多孔膜の表面層における緻密性については検討されていない。
Various porous membranes produced by non-solvent induced phase separation (NIPS) have been proposed as diaphragms for alkaline water electrolysis.
Regarding film formation by a non-solvent-induced phase separation method, Non-Patent Document 1 describes a porous membrane produced by a non-solvent-induced phase separation method from a resin solution containing polysulfone, zirconia and polyvinylpyrrolidone. However, the molecular weight of the polyvinylpyrrolidone used and the denseness of the surface layer of the porous membrane have not been studied.

Front.Chem.Sci.Eng.2014,8(3);295-305Front. Chem. Sci. Eng. 2014, 8(3); 295-305

本発明の課題は、高いイオン伝導性と高いガスバリア性を両立したアルカリ水電解用隔膜ならびに該隔膜の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a diaphragm for alkaline water electrolysis that has both high ionic conductivity and high gas barrier properties, and a method for producing the diaphragm.

本発明者らは、有機ポリマーと無機粒子とを含むアルカリ水電解用隔膜において、高分子量のポリビニルピロリドンを製膜時に使用することにより、表面における樹脂組成割合が増加し、緻密な表面構造となり、高いイオン伝導性と高いガスバリア性を両立したアルカリ水電解用隔膜を提供できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors found that the use of polyvinylpyrrolidone with a high molecular weight in forming a membrane for alkaline water electrolysis containing an organic polymer and inorganic particles increases the resin composition ratio on the surface, resulting in a dense surface structure. The inventors have found that it is possible to provide a diaphragm for alkaline water electrolysis that has both high ion conductivity and high gas barrier properties, and have completed the present invention.

すなわち、本発明のアルカリ水電解用隔膜は、有機ポリマーと無機粒子とを含むアルカリ水電解用隔膜であって、該膜の表面に垂直な断面において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面と該膜の表面から深さ方向に1μm離れた位置との間の範囲における、無機粒子と有機ポリマーの面積の和(Sa)に対する有機ポリマーの面積の和(Pa)の割合A(Pa/Sa)と、該膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲における、無機粒子と有機ポリマーの面積の和(Sb)に対する有機ポリマーの面積の和(Pb)の割合B(Pb/Sb)との比B/Aが1.0以下である。 That is, the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is a diaphragm for alkaline water electrolysis containing an organic polymer and inorganic particles, and in a cross section perpendicular to the surface of the membrane, from both ends in the longitudinal direction to the center, the The sum of the areas of the inorganic particles and the organic polymer ( Inorganic particles in the range between the ratio A (Pa / Sa) of the sum of the areas (Pa) of the organic polymer to Sa) and the position 2 μm away from the surface of the film in the depth direction and the position 15 μm away The ratio B/A of the ratio B (Pb/Sb) of the sum of the areas of the organic polymer (Pb) to the sum of the areas of the organic polymer (Sb) is 1.0 or less.

また、本発明のアルカリ水電解用隔膜は、該膜の表面に垂直な断面において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面と該膜の表面から深さ方向に1μm離れた位置との間の範囲における空隙率Cと、該膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲における空隙率Dとの比D/Cが1.8以上であることが好ましい。 Further, in the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, in a cross section perpendicular to the surface of the membrane, the membrane has a The porosity C in the range between the surface of and a position 1 μm away from the surface of the film in the depth direction, and the range between the position 2 μm away from the surface of the film and the position 15 μm away in the depth direction It is preferable that the ratio D/C to the porosity D in is 1.8 or more.

またさらに、本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法は、無機粒子、重量平均分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドン、及び溶媒を含む分散液を調製する分散液調製工程;該分散液と有機高分子樹脂(R)を混合して樹脂混合液を調製する樹脂混合液調製工程;及び、該樹脂混合液を用いて膜を形成する膜形成工程;を含む。 Furthermore, the method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention includes a dispersion preparation step of preparing a dispersion containing inorganic particles, polyvinylpyrrolidone having a weight average molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less, and a solvent; A resin mixture preparation step of mixing an organic polymer resin (R) to prepare a resin mixture; and a film forming step of forming a film using the resin mixture.

本発明によれば、高いイオン伝導性と高いガスバリア性を両立したアルカリ水電解用隔膜ならびに該隔膜の製造方法を提供できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a diaphragm for alkaline water electrolysis that has both high ionic conductivity and high gas barrier properties, and a method for producing the diaphragm.

本発明のアルカリ水電解用隔膜の断面の一形態を模式的に示す断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is sectional drawing which shows typically one form of the cross section of the diaphragm for alkaline water electrolysis of this invention. 本発明のアルカリ水電解用隔膜の表面に垂直な断面において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面と該膜の表面から深さ方向に1μm離れた位置との間の範囲、ならびに該膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲を模式的に表す図である。In the cross section perpendicular to the surface of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, the surface of the membrane and the separation of the membrane are separated from the longitudinal ends toward the center by 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section. FIG. 2 schematically represents the range between 1 μm in the depth direction from the surface and the range between 2 μm and 15 μm in the depth direction from the surface of the film.

以下に本発明を詳述する。なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい形態を2つ以上組み合わせたものもまた、本発明の好ましい形態である。また、本明細書において、「A~B」の記載は、「A以上、B以下」を意味する。 The present invention will be described in detail below. A combination of two or more of the individual preferred embodiments of the invention described below is also a preferred embodiment of the invention. Further, in this specification, the description of "A to B" means "A or more and B or less".

1.アルカリ水電解用隔膜
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、有機ポリマーと無機粒子とを含むアルカリ水電解用隔膜であって、該膜の表面に垂直な断面において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面と該膜の表面から深さ方向に1μm離れた位置との間の範囲における、無機粒子と有機ポリマーの面積の和(Sa)に対する有機ポリマーの面積の和(Pa)の割合A(Pa/Sa)と、該膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲における、無機粒子と有機ポリマーの面積の和(Sb)に対する有機ポリマーの面積の和(Pb)の割合B(Pb/Sb)との比B/Aが1.0以下である。
1. Diaphragm for alkaline water electrolysis The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is a diaphragm for alkaline water electrolysis containing an organic polymer and inorganic particles, and in a cross section perpendicular to the surface of the membrane, from both ends in the longitudinal direction to the center. The area of the inorganic particles and the organic polymer in the range between the surface of the film and the position 1 μm away from the surface of the film in the depth direction in the range of 0.4a or more with respect to the width a of the cross section. In the range between the ratio A (Pa / Sa) of the sum (Pa) of the area of the organic polymer to the sum (Sa) of the The ratio B/A of the sum of the areas of the organic polymer (Pb) to the sum of the areas of the inorganic particles and the organic polymer (Sb) (Pb/Sb) is 1.0 or less.

本発明のアルカリ水電解用隔膜は、該膜の表面に垂直な断面において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面と該膜の表面から深さ方向に1μm離れた位置との間の範囲における空隙率Cと、該膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲における空隙率Dとの比D/Cが1.8以上であることが好ましい。 In the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, in a cross section perpendicular to the surface of the membrane, the surface of the membrane is separated from both ends in the longitudinal direction toward the center by 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section. and the position 1 μm away from the surface of the film in the depth direction C, and the gap in the range between the position 2 μm away from the surface of the film and the position 15 μm away in the depth direction It is preferable that the ratio D/C to the ratio D is 1.8 or more.

また、本発明のアルカリ水電解用隔膜は、該膜の表面において、X線光電子分光法(ESCA)によって求められる窒素/炭素元素atm%が2.0~8.0であることが好ましい。 Further, in the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, the nitrogen/carbon element atm % determined by X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA) on the surface of the membrane is preferably 2.0 to 8.0.

1-1 有機ポリマー
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、有機ポリマーを含む。有機ポリマーは無機粒子を保持する。有機ポリマーは無機粒子を保持する隔壁として機能し、後述する無機粒子の親水性表面の減少を最小限なものとしながら、アルカリ溶液中で隔膜から無機粒子が脱落するのを抑制することができる。
1-1 Organic Polymer The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention contains an organic polymer. The organic polymer holds the inorganic particles. The organic polymer functions as a partition that holds the inorganic particles, and can suppress the inorganic particles from falling off from the partition in an alkaline solution while minimizing the decrease in the hydrophilic surface of the inorganic particles, which will be described later.

上記有機ポリマーとしては、無機粒子を保持し、好ましくはアルカリ溶液中で膨潤することなく、本発明の効果を発揮できる有機高分子樹脂(R)[以下、単に樹脂(R)という場合がある]であれば特に限定されない。上記樹脂(R)としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂;ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂;又は、ポリスルホン、ポリスチレン等の芳香族炭化水素系樹脂等が挙げられる。これらは1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。なかでも、更に耐熱性、耐アルカリ性に優れたアルカリ水電解用隔膜とすることができる点で、芳香族炭化水素系樹脂が好ましい。また隔膜を構成する有機ポリマーとして、後述する親水性添加剤が膜に残存したものでも良い。 As the organic polymer, an organic polymer resin (R) capable of retaining inorganic particles, preferably without swelling in an alkaline solution, and exhibiting the effects of the present invention [hereinafter sometimes simply referred to as resin (R)]. is not particularly limited. Examples of the resin (R) include fluorine-based resins such as polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene; olefin-based resins such as polypropylene; and aromatic hydrocarbon-based resins such as polysulfone and polystyrene. These may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. Among them, aromatic hydrocarbon-based resins are preferable in that they can be used as a diaphragm for alkaline water electrolysis with further excellent heat resistance and alkali resistance. Further, the organic polymer constituting the membrane may be one in which a hydrophilic additive, which will be described later, remains in the membrane.

上記芳香族炭化水素系樹脂としては、より具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリブチレンナフタレート、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンサルファイド等のポリアリーレンサルファイド樹脂、ポリフェニルスルホン、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリイミド、ポリアミドイミド等が挙げられる。なかでも、より一層優れた耐アルカリ性を付与することができる点で、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、及びポリフェニルスルホンからなる群より選択された少なくとも1種が好ましく、製造上の観点で、ポリスルホン、ポリエーテルスルホンがより好ましい。 More specifically, the aromatic hydrocarbon resins include, for example, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polybutylene naphthalate, polystyrene, polysulfone, polyethersulfone, polyarylene sulfide resins such as polyphenylene sulfide, and polyphenylsulfone. , polyarylate, polyetherimide, polyimide, polyamideimide, and the like. Among them, at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, and polyphenylsulfone is preferable in terms of being able to impart even better alkali resistance. Ethersulfone is more preferred.

ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、及びポリフェニルスルホンからなる群より選択された少なくとも1種を用いることにより、例えば、非溶媒誘起相分離法や蒸気誘起相分離法を用いて隔膜を製造する際には、スルホニル基が後述の無機粒子との適度な親和性を有することにより、相分離条件の調整が容易となる。また、耐アルカリ性が更に高くなることで、アルカリ溶液中で長時間使用した場合の寸法や質量、抵抗値の安定性や新たな空孔の発生抑制効果により優れたものとなる。 By using at least one selected from the group consisting of polysulfone, polyethersulfone, and polyphenylsulfone, for example, when producing a diaphragm using a non-solvent-induced phase separation method or a vapor-induced phase separation method, When the sulfonyl group has an appropriate affinity with the inorganic particles described later, it becomes easy to adjust the phase separation conditions. In addition, since the alkali resistance is further increased, the stability of dimensions, mass and resistance value when used in an alkaline solution for a long time and the effect of suppressing the generation of new voids are excellent.

上記樹脂(R)の含有量は、好ましくはアルカリ水電解用隔膜100質量%中3~50質量%である。上記樹脂(R)の含有量が上述の範囲であると、アルカリ水電解用隔膜のイオン透過性や靱性が良好でありながら、アルカリ溶液中でのアルカリ水電解用隔膜からの無機成分の溶出が更に一層抑制される。また、高いイオン伝導性を示すと共に、イオン透過性、ガスバリア性、耐熱性及び耐アルカリ性にも優れたアルカリ水電解用隔膜となり得る。上記樹脂(R)の含有量は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中、より好ましくは5~47質量%であり、更に好ましくは7~45質量%である。 The content of the resin (R) is preferably 3 to 50% by mass in 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis. When the content of the resin (R) is within the above range, the ion permeability and toughness of the diaphragm for alkaline water electrolysis are good, but inorganic components are not eluted from the diaphragm for alkaline water electrolysis in an alkaline solution. It is even more suppressed. In addition, the diaphragm for alkaline water electrolysis exhibits high ion conductivity and is also excellent in ion permeability, gas barrier properties, heat resistance, and alkali resistance. The content of the resin (R) is more preferably 5 to 47% by mass, still more preferably 7 to 45% by mass, based on 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis.

上記樹脂(R)の含有量は、本発明のアルカリ水電解用隔膜が後述する多孔性支持体を含まない場合は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中5~50質量%であることが好ましく、より好ましくは10~47質量%、更に好ましくは10~45質量%である。本発明のアルカリ水電解用隔膜が有機ポリマーとして後述する多孔性支持体を含む場合は、上記樹脂(R)の含有量は、好ましくはアルカリ水電解用隔膜100質量%中3~25質量%、より好ましくは5~20質量%、更に好ましくは7~18質量%である。 The content of the resin (R) is preferably 5 to 50% by mass based on 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis when the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention does not contain a porous support, which will be described later. , more preferably 10 to 47% by mass, more preferably 10 to 45% by mass. When the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention contains a porous support described later as an organic polymer, the content of the resin (R) is preferably 3 to 25% by mass based on 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis, More preferably 5 to 20% by mass, still more preferably 7 to 18% by mass.

本発明のアルカリ水電解用隔膜は、後述する無機粒子100質量部に対して上記樹脂(R)を10~50質量部含むことが好ましく、12~45質量部含むことがより好ましく、15~40質量部含むことが更に好ましい。無機粒子と上記樹脂(R)の含有割合が上述した範囲であると、アルカリ溶液中でのアルカリ水電解用隔膜からの無機成分の溶出が更に一層抑制される。また、高いイオン伝導性を示すと共に、イオン透過性、ガスバリア性、柔軟性、耐熱性及び耐アルカリ性にも優れたアルカリ水電解用隔膜となり得る。 The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention preferably contains 10 to 50 parts by mass, more preferably 12 to 45 parts by mass, and more preferably 15 to 40 parts by mass of the resin (R) with respect to 100 parts by mass of the inorganic particles described later. It is more preferable to include parts by mass. When the content ratio of the inorganic particles and the resin (R) is within the range described above, the elution of inorganic components from the diaphragm for alkaline water electrolysis in an alkaline solution is further suppressed. In addition, the diaphragm for alkaline water electrolysis exhibits high ion conductivity and is also excellent in ion permeability, gas barrier properties, flexibility, heat resistance, and alkali resistance.

1-1-1 多孔性支持体
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、上述した有機ポリマーと後述する無機粒子を含む膜からなるものであるが、上記有機ポリマーとして多孔性支持体を含んでいてもよい。上記多孔性支持体は、多孔質の有機ポリマーであり、イオン透過性を阻害せず、アルカリ水電解用隔膜の支持体となり得る部材である。上記多孔性支持体は、シート状の部材であることが好ましい。
1-1-1 Porous Support The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention comprises a membrane containing the above-described organic polymer and inorganic particles described below, and contains a porous support as the organic polymer. good too. The porous support is a porous organic polymer, and is a member that does not inhibit ion permeability and can serve as a support for a diaphragm for alkaline water electrolysis. The porous support is preferably a sheet-like member.

上記多孔性支持体の材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリフェニレンサルファイド等のポリアリーレンサルファイド樹脂、ポリケトン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、フッ素系樹脂等の樹脂材料が挙げられる。これらは、1種単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なかでも、優れた耐熱性及び耐アルカリ性を発揮できる点で、ポリプロピレン、ポリエチレン、及びポリフェニレンサルファイドからなる群より選択された少なくとも1種の樹脂材料を含むことが好ましく、ポリプロピレン、及びポリフェニレンサルファイドからなる群より選択された少なくとも1種の樹脂材料を含むことがより好ましい。 Examples of materials for the porous support include polyarylene sulfide resins such as polyethylene, polypropylene, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylsulfone, and polyphenylene sulfide; resin materials such as polyketones, polyimides, polyetherimides, and fluorine-based resins. is mentioned. These may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. Among them, it preferably contains at least one resin material selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polyphenylene sulfide in that it can exhibit excellent heat resistance and alkali resistance, and the group consisting of polypropylene and polyphenylene sulfide. More preferably, it contains at least one more selected resin material.

上記多孔性支持体の形態としては、例えば、不織布、織布(織物)、編物、メッシュ、多孔質膜、フェルト又は不織布と織布の混合布等が挙げられるが、好ましくは、不繊布、織布、メッシュ、又はフェルトが挙げられ、より好ましくは、不織布、織布、メッシュが挙げられる。 Examples of the form of the porous support include nonwoven fabric, woven fabric (fabric), knitted fabric, mesh, porous membrane, felt, and mixed fabric of nonwoven fabric and woven fabric. Nonwoven fabric and woven fabric are preferred. Examples include cloth, mesh, or felt, and more preferably non-woven fabric, woven fabric, and mesh.

上記多孔性支持体としては、なかでも、ポリプロピレン、ポリエチレン、及びポリフェニレンサルファイドからなる群より選択される少なくとも1種の樹脂を含む、不織布、織布、メッシュ、又はフェルトが好ましい。更に、多孔性支持体としては、ポリフェニレンサルファイドを含む、不織布、メッシュ、又はフェルトが好ましい。上記多孔性支持体中のポリプロピレン、ポリエチレン、及びポリフェニレンサルファイドの含有量は、合計で50質量%以上が好ましく、70質量%以上がより好ましく、90質量%以上がさらに好ましい。 As the porous support, nonwoven fabric, woven fabric, mesh, or felt containing at least one resin selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polyphenylene sulfide is preferred. Furthermore, non-woven fabrics, meshes, or felts containing polyphenylene sulfide are preferred as porous supports. The total content of polypropylene, polyethylene, and polyphenylene sulfide in the porous support is preferably 50% by mass or more, more preferably 70% by mass or more, and even more preferably 90% by mass or more.

上記多孔性支持体がシート状である場合、上記多孔性支持体の厚みは、本発明のアルカリ水電解用隔膜が本発明の効果を発揮できる限り特に限定されないが、例えば、好ましくは30~2000μm、より好ましくは50~1000μm、更に好ましくは80~500μm、最も好ましくは80~250μmである。 When the porous support is in the form of a sheet, the thickness of the porous support is not particularly limited as long as the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can exhibit the effects of the present invention. , more preferably 50 to 1000 μm, still more preferably 80 to 500 μm, and most preferably 80 to 250 μm.

1-2 無機粒子
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、無機粒子を含む。本発明のアルカリ水電解用隔膜は、無機粒子間あるいは粒子と有機ポリマーとの空隙部分に電解液が満たされてイオン透過性を発揮することができる。また、無機粒子を含むことにより、アルカリ水電解用隔膜が親水化し、水の電気分解において発生する酸素ガスや水素ガスが隔膜に付着して電気分解の妨げになることを抑制することができる。
1-2 Inorganic Particles The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention contains inorganic particles. The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can exhibit ion permeability by filling the gaps between the inorganic particles or between the particles and the organic polymer with the electrolytic solution. In addition, by including inorganic particles, the diaphragm for alkaline water electrolysis becomes hydrophilic, and oxygen gas and hydrogen gas generated in the electrolysis of water can be prevented from adhering to the diaphragm and interfering with the electrolysis.

本発明において使用する無機粒子としては、例えば、マグネシウム、ジルコニウム、チタン、亜鉛、アルミニウム、タンタル等の水酸化物又は酸化物、カルシウム、バリウム、鉛、ストロンチウム等の硫酸塩等が挙げられる。なかでも、無機粒子の分散性やアルカリ溶液中での安定性がより一層優れる点で、水酸化マグネシウム、水酸化ジルコニウム、水酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化チタン、硫酸カルシウム、硫酸バリウムが好ましく、水酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、硫酸バリウムがより好ましい。上記無機粒子は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を組み合わせて使用してもよい。 Examples of inorganic particles used in the present invention include hydroxides or oxides of magnesium, zirconium, titanium, zinc, aluminum and tantalum, sulfates of calcium, barium, lead, strontium and the like. Among them, magnesium hydroxide, zirconium hydroxide, titanium hydroxide, zirconium oxide, titanium oxide, calcium sulfate, and barium sulfate are preferable in terms of dispersibility of inorganic particles and stability in an alkaline solution. Magnesium oxide, zirconium oxide, titanium oxide and barium sulfate are more preferred. The inorganic particles may be used singly or in combination of two or more.

無機粒子としては、天然物であっても合成物であってもよい。また、表面が未処理のものであってもよく、溶媒への分散を向上させるために、シランカップリング剤、ステアリン酸、オレイン酸、脂肪酸、高級脂肪酸、カルボン酸エステル、リン酸エステル等により表面処理したものであってもよい。上記無機粒子の形状は、粒子状であれば特に限定されず、不定形;真球状、長楕円球状等の球状;薄片状、六角板状等の板状;繊維状のいずれの形状であってもよいが、溶媒に分散しやすく、樹脂組成物を調製しやすい点で、球状、板状、繊維状であることが好ましく、アルカリ水電解隔膜のイオン透過性や粒子の保持性の点で、板状であることがより好ましい。 The inorganic particles may be natural or synthetic. In addition, the surface may be untreated, and in order to improve dispersion in the solvent, the surface is treated with a silane coupling agent, stearic acid, oleic acid, fatty acid, higher fatty acid, carboxylic acid ester, phosphate ester, etc. It may be processed. The shape of the inorganic particles is not particularly limited as long as it is particulate, and may be amorphous; spherical such as a perfect sphere or oblong sphere; plate-like such as flaky or hexagonal plate-like; or fibrous. However, it is preferably spherical, plate-shaped, or fibrous in terms of being easy to disperse in a solvent and easy to prepare a resin composition. A plate-like shape is more preferable.

上記無機粒子は、アスペクト比が1.0~8.0であることが好ましい。アスペクト比が上述の範囲であると、イオン透過性がより一層優れ、均一性に優れた隔膜とすることができる。上記アスペクト比は、1.5~7.0であることがより好ましく、2.0~6.0であることが更に好ましい。
本明細書中、アスペクト比とは、最長径aと最短径bとの比(a/b)を意味し、粉体状の無機粒子をSEMで観察し、得られた画像の任意の10粒子において、解析ソフト等を使用して、各粒子の最長径aと最短径bとの比(a/b)を測定し、それらの比の単純平均値をその粒子のアスペクト比として求めることができる。
The inorganic particles preferably have an aspect ratio of 1.0 to 8.0. When the aspect ratio is within the above range, the membrane can have even better ion permeability and excellent uniformity. The aspect ratio is more preferably 1.5 to 7.0, even more preferably 2.0 to 6.0.
In the present specification, the aspect ratio means the ratio (a/b) between the longest diameter a and the shortest diameter b, and powdery inorganic particles are observed with SEM, and any 10 particles of the obtained image are In the above, using analysis software or the like, the ratio (a/b) between the longest diameter a and the shortest diameter b of each particle is measured, and the simple average value of these ratios can be obtained as the aspect ratio of the particle. .

上記最長径aとしては、例えば、粒子の形状が板状の場合、粒子の板面の長径を採用し、繊維状である場合は、繊維の長さを採用する。また、最長径aの中点を通って最長径と直行する径のうちの最も短い径を最短径bとする。上記最短径bとしては、例えば、粒子の形状が板状の場合は、粒子の厚みを採用し、繊維状である場合は、繊維の太さを採用する。粒子の厚み及び繊維の太さとしては、最長径aの中点における厚み、太さをそれぞれ採用する。 As the longest diameter a, for example, when the shape of the particle is plate-like, the length of the plate surface of the particle is used, and when the particle is fibrous, the length of the fiber is used. The shortest diameter among the diameters passing through the midpoint of the longest diameter a and perpendicular to the longest diameter is defined as the shortest diameter b. As the shortest diameter b, for example, when the shape of the particles is plate-like, the thickness of the particles is used, and when the shape is fibrous, the thickness of the fibers is used. As the thickness of the particles and the thickness of the fibers, the thickness and thickness at the midpoint of the longest diameter a are employed, respectively.

上記無機粒子の平均粒子径は、上記無機粒子の分散性がより一層優れる点で、0.01~2.0μmであることが好ましく、0.05~1.0μmであることがより好ましく、0.08~0.7μmであることが更に好ましい。なお、上記平均粒子径は、無機粒子と0.2質量%のヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用いて分散処理を行った無機粒子分散液を用いて、レーザー回折・散乱法による粒度分布測定から求められる体積平均粒子径(d50)である。上記無機粒子の平均粒子径が上述の範囲であると、高いイオン伝導性を示すと共に、イオン透過性、ガスバリア性により優れた隔膜とすることができる。 The average particle diameter of the inorganic particles is preferably 0.01 to 2.0 μm, more preferably 0.05 to 1.0 μm, from the viewpoint of further improving the dispersibility of the inorganic particles. It is more preferably 0.08 to 0.7 μm. The average particle size is obtained from particle size distribution measurement by a laser diffraction/scattering method using an inorganic particle dispersion liquid that has been subjected to dispersion treatment using inorganic particles and a 0.2% by mass sodium hexametaphosphate aqueous solution. Average particle size (d50). When the average particle size of the inorganic particles is within the above range, the membrane can exhibit high ion conductivity, ion permeability, and gas barrier properties.

上記無機粒子の比表面積は、隔膜のイオン透過性がより一層優れる点で、5~35m/gが好ましく、5.5~25m/gであることがより好ましく、6~20m/gであることが更に好ましい。なお、上記比表面積は、粉体状の無機粒子について液体窒素を用いたBET法により測定される比表面積である。アルカリ水電解用隔膜におけるイオンパスは無機粒子の親水性の高い表面により形成されるため、上記無機粒子の比表面積が上述の範囲であると、イオン透過性により一層優れた隔膜とすることができる。 The specific surface area of the inorganic particles is preferably 5 to 35 m 2 /g, more preferably 5.5 to 25 m 2 /g, more preferably 6 to 20 m 2 /g, in that the ion permeability of the diaphragm is further improved. is more preferable. The above specific surface area is a specific surface area measured by the BET method using liquid nitrogen for powdery inorganic particles. Since the ion path in the diaphragm for alkaline water electrolysis is formed by the highly hydrophilic surface of the inorganic particles, the specific surface area of the inorganic particles within the above range can provide a diaphragm with even better ion permeability.

上記無機粒子の含有量は、好ましくは、アルカリ水電解用隔膜100質量%中30~95質量%である。上記無機粒子の含有量が上述の範囲であると、アルカリ溶液中での無機成分の溶出がより一層抑制され、高いイオン伝導性を示すと共に、イオン透過性、ガスバリア性、耐熱性及び耐アルカリ性に優れた隔膜とすることができる。上記無機粒子の含有量は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中、より好ましくは32~92質量%、更に好ましくは35~90質量%である。 The content of the inorganic particles is preferably 30 to 95% by mass based on 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis. When the content of the inorganic particles is within the above range, the elution of the inorganic component in the alkaline solution is further suppressed, exhibiting high ionic conductivity, ion permeability, gas barrier properties, heat resistance and alkali resistance. An excellent diaphragm can be obtained. The content of the inorganic particles is more preferably 32 to 92% by mass, still more preferably 35 to 90% by mass, based on 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis.

上記無機粒子の含有量は、本発明のアルカリ水電解用隔膜が上記多孔性支持体を含まない場合は、アルカリ水電解用隔膜100質量%中50~95質量%であることが好ましく、より好ましくは53~92質量%、更に好ましくは55~90質量%である。
本発明のアルカリ水電解用隔膜が上記多孔性支持体を含む場合は、上記無機粒子の含有量は、好ましくはアルカリ水電解用隔膜100質量%中30~48質量%、より好ましくは32~45質量%、更に好ましくは35~43質量%である。
When the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention does not contain the porous support, the content of the inorganic particles is preferably 50 to 95% by mass in 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis, more preferably. is 53 to 92% by mass, more preferably 55 to 90% by mass.
When the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention contains the porous support, the content of the inorganic particles is preferably 30 to 48% by mass, more preferably 32 to 45%, based on 100% by mass of the diaphragm for alkaline water electrolysis. % by mass, more preferably 35 to 43% by mass.

図1に、本発明のアルカリ水電解用隔膜の一形態を模式的に示す。アルカリ水電解用隔膜1は、単膜層2と支持体層3を含んでいる。単膜層2は、上記樹脂(R)と無機粒子とを含む層であり、支持体層3は、上記樹脂(R)と無機粒子と多孔性支持体とを含む層である。 FIG. 1 schematically shows one embodiment of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention. A diaphragm 1 for alkaline water electrolysis includes a single membrane layer 2 and a support layer 3 . The single layer 2 is a layer containing the resin (R) and inorganic particles, and the support layer 3 is a layer containing the resin (R), inorganic particles and a porous support.

本発明のアルカリ水電解用隔膜において、上述した単膜層2は、上記支持体層3の一方の面に形成されていてもよいし、両面に形成されていてもよい。
また、本発明のアルカリ水電解用隔膜は、上述した単膜層2は無くても良く、無機粒子と上記樹脂(R)と上記多孔性支持体とが一体化した支持体層3としての複合体であってもよい。上記複合体とすることにより、アルカリ水電解用隔膜の強度と靭性を向上させることができる。
In the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, the single membrane layer 2 may be formed on one surface of the support layer 3 or may be formed on both surfaces.
In addition, the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention may not have the above-described single layer 2, and a composite as a support layer 3 in which the inorganic particles, the resin (R), and the porous support are integrated. It can be a body. By forming the above composite, the strength and toughness of the diaphragm for alkaline water electrolysis can be improved.

1-3 膜表面層における有機ポリマー組成割合
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、該膜の表面に垂直な断面において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面と該膜の表面から深さ方向に1μm離れた位置との間の範囲における、無機粒子と有機ポリマーの面積の和(Sa)に対する有機ポリマーの面積の和(Pa)の割合A(Pa/Sa)と、該膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲における、無機粒子と有機ポリマーの面積の和(Sb)に対する有機ポリマーの面積の和(Pb)の割合B(Pb/Sb)との比B/Aが1.0以下である。上記比B/Aの下限としては、0.6が挙げられる。上記比B/Aを上述した範囲とした場合に、膜表面付近において特に膜表面層における有機ポリマーの組成割合が増加し、膜表面層が緻密な構造となり、高いイオン伝導性と高いガスバリア性を両立したアルカリ水電解用隔膜となる。なお、本明細書において、膜表面層とは、膜表面と該膜表面から深さ方向に1μm離れた位置との間の範囲をいい、膜表面付近とは、膜表面と該膜表面から深さ方向に15μm離れた位置との間の範囲をいう。
1-3 Composition Ratio of Organic Polymer in Membrane Surface Layer The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention has a cross-section perpendicular to the surface of the membrane, from both ends in the longitudinal direction toward the center, with respect to the width a of the cross-section of 0.00. In the range of 4a or more, the area of the organic polymer with respect to the sum of the areas of the inorganic particles and the organic polymer (Sa) in the range between the surface of the film and the position 1 μm away from the surface of the film in the depth direction. The ratio A (Pa/Sa) of the sum (Pa) and the sum of the areas of the inorganic particles and the organic polymer (Sb ) to the ratio B (Pb/Sb) of the sum of the areas of the organic polymer (Pb) is 1.0 or less . A lower limit of the ratio B/A is 0.6. When the ratio B/A is within the range described above, the composition ratio of the organic polymer in the surface layer of the film increases in the vicinity of the surface of the film, and the surface layer of the film has a dense structure, resulting in high ionic conductivity and high gas barrier properties. A compatible diaphragm for alkaline water electrolysis is obtained. In the present specification, the term "film surface layer" refers to the range between the film surface and a position 1 μm away from the film surface in the depth direction, and the term "near the film surface" refers to the film surface and the depth from the film surface. It refers to the range between a position 15 μm away in the vertical direction.

図2にアルカリ水電解用隔膜1の断面10を模式的に示す。上記比B/Aの算出方法を図2を用いて具体的に説明すると、アルカリ水電解用隔膜1の表面11に垂直な断面10において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面10の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面11と、該表面11から深さ方向Sに1μm離れた位置との間の範囲Taにおいて、FE-SEM測定による断面観察画像を得る。得られた断面観察画像に対して、解析ソフトを用いて画像を明部と準明部に分ける。ここで、明部が無機粒子であり、準明部が有機ポリマーである。そして、明部と準明部との面積の和から無機粒子と有機ポリマーの面積の和(Sa)を、準明部の面積の和から有機ポリマーの面積の和(Pa)を得、割合A(Pa/Sa)を求める。
また、アルカリ水電解用隔膜の表面11に垂直な断面10において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面10の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面11から2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲Tbにおいて、FE-SEM測定による断面観察画像を得る。得られた断面観察画像に対して、上記と同様にして、無機粒子と有機ポリマーの面積の和(Sb)、有機ポリマーの面積の和(Pb)を得、割合B(Pb/Sb)を求める。
得られた上記割合AとBから、比B/Aを求める。
FIG. 2 schematically shows a cross section 10 of the diaphragm 1 for alkaline water electrolysis. The method for calculating the ratio B/A will be specifically described with reference to FIG. In a range Ta between the surface 11 of the film and a position 1 μm away from the surface 11 in the depth direction S in a range 0.4a or more away from the width a, a cross-sectional observation image by FE-SEM measurement is obtained. obtain. Analysis software is used to divide the obtained cross-sectional observation image into a bright portion and a semi-bright portion. Here, the bright portion is the inorganic particles, and the semi-bright portion is the organic polymer. Then, the sum of the areas of the inorganic particles and the organic polymer (Sa) is obtained from the sum of the areas of the light portion and the semi-light portion, and the sum of the areas of the organic polymer (Pa) is obtained from the sum of the areas of the semi-light portion. (Pa/Sa) is obtained.
In addition, in a cross section 10 perpendicular to the surface 11 of the diaphragm for alkaline water electrolysis, from both ends in the longitudinal direction toward the center, in a range separated by 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section 10, from the surface 11 of the membrane A cross-sectional observation image is obtained by FE-SEM measurement in a range Tb between a position separated by 2 μm and a position separated by 15 μm. In the same manner as described above, the sum of the areas of the inorganic particles and the organic polymer (Sb) and the sum of the areas of the organic polymer (Pb) are obtained from the obtained cross-sectional observation image, and the ratio B (Pb/Sb) is obtained. .
From the obtained ratios A and B, the ratio B/A is determined.

上記アルカリ水電解用隔膜の表面は特に限定されず、例えば、図1におけるアルカリ水電解用隔膜1の単膜層2側の表面でも良いし、支持体層3側の表面でも良い。支持体層3側の表面の場合、支持体成分を除外した算出が必要である。また、上記B/A値を決定する方法としては、上記範囲12においてFE-SEMで2万倍率に観察した像(例えば、4.4μm×6.2μm視野)で評価して決定することが好ましい。本発明のアルカリ水電解用隔膜では、このように決定したB/A値が1.0以下であれば、イオン伝導性とガスバリア性の向上が両立し、アルカリ水の電気分解に好適に用いることができる隔膜とすることができる。なお、B/A値としては、上記範囲Ta,Tbで任意に選択した視野において、少なくとも1組のA値とB値からB/A値として1.0以下の値が得られれば、本発明の範囲に含まれる。A値およびB値を得る領域の最小限の大きさとしては、1.0μm×6.2μmの領域が挙げられる。 The surface of the diaphragm for alkaline water electrolysis is not particularly limited, and may be, for example, the surface on the single membrane layer 2 side of the diaphragm 1 for alkaline water electrolysis in FIG. 1 or the surface on the support layer 3 side. In the case of the surface on the side of the support layer 3, the calculation excluding the support component is required. In addition, as a method for determining the B / A value, it is preferable to evaluate and determine an image (for example, a 4.4 μm × 6.2 μm field of view) observed at 20,000 magnifications with an FE-SEM in the above range 12. . In the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, if the B/A value determined in this way is 1.0 or less, both ionic conductivity and gas barrier properties are improved, and it is suitable for use in electrolysis of alkaline water. It can be a diaphragm that can As for the B/A value, if a value of 1.0 or less is obtained as a B/A value from at least one set of A value and B value in a field of view arbitrarily selected in the ranges Ta and Tb, the present invention included in the range of A minimum area size for obtaining A and B values includes an area of 1.0 μm×6.2 μm.

1-4 窒素残存量
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、該膜の表面において、X線光電子分光法(ESCA)によって求められる窒素/炭素元素atm%が2.0~8.0であることが好ましい。ESCA分析の検出元素としては、炭素、窒素、酸素、マグネシウム、硫黄である。上記窒素/炭素元素atm%は、より好ましくは2.2~7.0であり、さらに好ましくは2.5~6.0である。これらの元素濃度は例えば、X線光電子分光分析装置(日本電子社製JPS-9000MX、X線源:MgKα線)により測定して得られる値である。ESCA分析によって検出される窒素元素は、分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドン由来の窒素元素であることが好ましい。さらには、上記分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドンは、後述の本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法において添加されたものであることが好ましい。上記アルカリ水電解用隔膜の表面は特に限定されず、例えば、図1におけるアルカリ水電解用隔膜1の単膜層2側の表面でも良いし、支持体層3側の表面でも良い。支持体層3側の表面の場合、支持体成分を除外した算出が必要である。
本発明のアルカリ水電解用隔膜では、ESCA分析によって求められる窒素/炭素元素atm%が上述した範囲である場合に、膜表面付近において特に膜表面層の緻密性がより向上し、高いイオン伝導性と高いガスバリア性をより一層両立したアルカリ水電解用隔膜となる。
1-4 Remaining amount of nitrogen The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention has a nitrogen/carbon element atm% of 2.0 to 8.0 as determined by X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA) on the surface of the membrane. is preferred. Elements detected by ESCA analysis are carbon, nitrogen, oxygen, magnesium, and sulfur. The above nitrogen/carbon element atm % is more preferably 2.2 to 7.0, still more preferably 2.5 to 6.0. These elemental concentrations are, for example, values obtained by measuring with an X-ray photoelectron spectrometer (JPS-9000MX manufactured by JEOL Ltd., X-ray source: MgKα ray). The nitrogen element detected by ESCA analysis is preferably nitrogen element derived from polyvinylpyrrolidone with a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less. Furthermore, the polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less is preferably added in the later-described method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention. The surface of the diaphragm for alkaline water electrolysis is not particularly limited, and may be, for example, the surface on the single membrane layer 2 side of the diaphragm 1 for alkaline water electrolysis in FIG. 1 or the surface on the support layer 3 side. In the case of the surface on the side of the support layer 3, the calculation excluding the support component is required.
In the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, when the nitrogen/carbon element atm% determined by ESCA analysis is within the above-described range, the denseness of the membrane surface layer is further improved in the vicinity of the membrane surface, and the ion conductivity is high. and a high gas barrier property.

1-5 空隙率
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、該膜の表面に垂直な断面において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面と該膜の表面から深さ方向に1μm離れた位置との間の範囲における空隙率Cと、該膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲における空隙率Dとの比D/Cが1.8以上であることが好ましい。上記比D/Cは、2.0以上であることがより好ましく、2.2以上であることがさらに好ましい。上記比D/Cの上限としては、4.5が挙げられる。上記比D/Cを上述した範囲とした場合に、膜表面付近において特に膜表面層の緻密性がより向上し、高いイオン伝導性と高いガスバリア性をより一層両立したアルカリ水電解用隔膜となる。
1-5 Porosity In the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, in the cross section perpendicular to the surface of the membrane, from both ends in the longitudinal direction toward the center, the range is 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section. , the porosity C in the range between the surface of the film and a position 1 μm away from the surface of the film in the depth direction, and the position 2 μm away and 15 μm away from the surface of the film in the depth direction. It is preferable that the ratio D/C to the porosity D in the range between is 1.8 or more. The ratio D/C is more preferably 2.0 or more, further preferably 2.2 or more. The upper limit of the ratio D/C is 4.5. When the ratio D/C is set in the range described above, the density of the membrane surface layer is further improved in the vicinity of the membrane surface, and a diaphragm for alkaline water electrolysis that has both high ionic conductivity and high gas barrier properties is obtained. .

上記比D/Cの算出方法を図2を用いて具体的に説明すると、アルカリ水電解用隔膜1の表面11に垂直な断面10において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面10の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面11と、該表面11から深さ方向Sに1μm離れた位置との間の範囲Taにおいて、FE-SEM測定による断面観察画像を得る。得られた断面観察画像に対して、解析ソフトを用いて画像を明部と暗部に分ける。ここで、暗部が空隙である。そして、画像全体の面積に対する暗部の面積の和の比率として空隙率Cを求める。
また、アルカリ水電解用隔膜の表面11に垂直な断面10において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面10の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面11から2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲Tbにおいて、FE-SEM測定による断面観察画像を得る。得られた断面観察画像に対して、上記と同様にして、画像全体の面積に対する暗部の面積の和の比率として空隙率Dを求める。
得られた上記空隙率CとDから、比D/Cを求める。
The method for calculating the ratio D/C will be specifically described with reference to FIG. In a range Ta between the surface 11 of the film and a position 1 μm away from the surface 11 in the depth direction S in a range 0.4a or more away from the width a, a cross-sectional observation image by FE-SEM measurement is obtained. obtain. Analysis software is used to divide the obtained cross-sectional observation image into a bright portion and a dark portion. Here, the dark areas are voids. Then, the porosity C is obtained as a ratio of the sum of the areas of the dark portions to the area of the entire image.
In addition, in a cross section 10 perpendicular to the surface 11 of the diaphragm for alkaline water electrolysis, from both ends in the longitudinal direction toward the center, in a range separated by 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section 10, from the surface 11 of the membrane A cross-sectional observation image is obtained by FE-SEM measurement in a range Tb between a position separated by 2 μm and a position separated by 15 μm. For the cross-sectional observation image thus obtained, the porosity D is obtained as a ratio of the sum of the areas of the dark portions to the area of the entire image in the same manner as described above.
From the porosities C and D thus obtained, the ratio D/C is obtained.

上記アルカリ水電解用隔膜の表面は特に限定されず、例えば、図1におけるアルカリ水電解用隔膜1の単膜層2側の表面でも良いし、支持体層3側の表面でも良い。支持体層3側の表面の場合、支持体成分を除外した算出が必要である。また、上記B/A値を決定する方法としては、上記範囲12においてFE-SEMで2万倍率に観察した像(例えば、4.4μm×6.2μm視野)で決定することが好ましい。本発明のアルカリ水電解用隔膜(3)では、このように決定したD/C値が1.8以上であれば、イオン伝導性とガスバリア性の向上が両立し、アルカリ水の電気分解に好適に用いることができる隔膜とすることができる。なお、D/C値としては、上記範囲Ta,Tbで任意に選択した視野において、少なくとも1組のC値とD値からD/C値として1.8以上の値が得られれば、本発明の範囲に含まれる。C値を得る領域の最小限の大きさとしては、1.0μm×6.2μmの領域、D値を得る領域の最小限の大きさとしては、4.4μm×6.2μmの領域が挙げられる。 The surface of the diaphragm for alkaline water electrolysis is not particularly limited, and may be, for example, the surface on the single membrane layer 2 side of the diaphragm 1 for alkaline water electrolysis in FIG. 1 or the surface on the support layer 3 side. In the case of the surface on the side of the support layer 3, the calculation excluding the support component is required. As a method for determining the B/A value, it is preferable to determine the B/A value from an image (for example, a 4.4 μm×6.2 μm field of view) observed at a magnification of 20,000 with an FE-SEM in the range 12 above. In the diaphragm for alkaline water electrolysis (3) of the present invention, if the D/C value determined in this way is 1.8 or more, both ionic conductivity and gas barrier properties are improved, and it is suitable for electrolysis of alkaline water. It can be a diaphragm that can be used for As the D/C value, in the field of view arbitrarily selected in the ranges Ta and Tb, if a value of 1.8 or more is obtained as the D/C value from at least one set of C value and D value, the present invention included in the range of The minimum size of the area for obtaining the C value is an area of 1.0 μm×6.2 μm, and the minimum size of the area for obtaining the D value is an area of 4.4 μm×6.2 μm. .

本発明のアルカリ水電解用隔膜では、膜全体としての空隙率が25~80%であることが好ましく、30~75%がより好ましく、35~70%がさらに好ましい。膜全体としての空隙率が上述の範囲であると、隔膜中の空隙に電解液がより連続的に満たされるため、より高いイオン伝導性を示すと共に、イオン透過性により優れ、かつガスバリア性により優れた膜とすることができる。 The membrane for alkaline water electrolysis of the present invention preferably has a porosity of 25 to 80%, more preferably 30 to 75%, and even more preferably 35 to 70% as a whole membrane. When the porosity of the membrane as a whole is within the above range, the pores in the diaphragm are more continuously filled with the electrolytic solution, so that the membrane exhibits higher ionic conductivity, more excellent ion permeability, and more excellent gas barrier properties. It can be used as a film.

上記膜全体としての空隙率は、下記に示す方法により測定された隔膜の実測密度値、および隔膜を構成する各成分の密度値(真密度)および組成比を用いて算出される隔膜の計算密度値より、下記式から算出できる。
空隙率(%)=[1-(実測密度値)/(計算密度値)]×100
実測密度値は、得られた隔膜の任意の場所から切り出した試験片について、質量と体積を測定し、質量を体積で除すことにより算出できる。体積は、試験片の縦方向の長さ、横方向の長さを、ノギスを用いて測定、膜厚を上記膜厚測定方法に基づき測定することにより算出できる。また、試験片の質量は、体積を測定した試験片について小数点以下4桁の精密天秤を用いて測定できる。
The porosity of the membrane as a whole is the calculated density value of the diaphragm calculated using the measured density value of the diaphragm measured by the method shown below, and the density value (true density) and composition ratio of each component constituting the diaphragm. It can be calculated from the following formula.
Porosity (%) = [1 - (measured density value) / (calculated density value)] × 100
The measured density value can be calculated by measuring the mass and volume of a test piece cut from an arbitrary location of the obtained diaphragm and dividing the mass by the volume. The volume can be calculated by measuring the vertical and horizontal lengths of the test piece using calipers, and measuring the film thickness based on the film thickness measurement method described above. Also, the mass of the test piece can be measured using a precision balance with four digits below the decimal point for the test piece whose volume has been measured.

1-6 イオン伝導度
本発明のアルカリ水電解用隔膜のイオン伝導度は、実施例に記載の方法で算出できる。本発明のアルカリ水電解用隔膜のイオン伝導度は、100mS/cm超であることが好ましい。このようにした場合に、アルカリ水電解における電解効率をより高くできる。
1-6 Ionic Conductivity The ionic conductivity of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can be calculated by the method described in Examples. The ion conductivity of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is preferably more than 100 mS/cm. In this case, the electrolysis efficiency in alkaline water electrolysis can be made higher.

1-7 厚み
本発明のアルカリ水電解用隔膜の厚みは、特に限定されず、使用する設備の大きさや取り扱い性等に応じて適宜選択すればよいが、膜の高いイオン伝導性と共に、ガスバリア性やイオン透過性、強度の観点から、50~2000μmが好ましく、100~1000μmがより好ましく、100~500μmが更に好ましく、150~350μmが最も好ましい。
また、上述した多孔性支持体を含む場合、本発明のアルカリ水電解用隔膜の厚みは、好ましくは50~2000μm、より好ましくは100~1000μm、更に好ましくは100~500μm、最も好ましくは150~300μmである。
1-7 Thickness The thickness of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is not particularly limited, and may be appropriately selected according to the size of the equipment to be used, the handleability, etc. 50 to 2000 μm is preferable, 100 to 1000 μm is more preferable, 100 to 500 μm is still more preferable, and 150 to 350 μm is most preferable from the viewpoint of ion permeability and strength.
Further, when the porous support described above is included, the thickness of the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is preferably 50 to 2000 μm, more preferably 100 to 1000 μm, still more preferably 100 to 500 μm, most preferably 150 to 300 μm. is.

2.アルカリ水電解用隔膜の製造方法
本発明のアルカリ水電解隔膜の製造方法は、無機粒子、分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドン、及び溶媒を含む分散液を調製する分散液調製工程;該分散液と有機高分子樹脂(R)を混合して樹脂混合液を調製する樹脂混合液調製工程;及び、該樹脂混合液を用いて膜を形成する膜形成工程;を含む。
以下に、各工程について説明する。
2. Method for producing diaphragm for alkaline water electrolysis The method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention includes a dispersion preparation step of preparing a dispersion containing inorganic particles, polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less, and a solvent; A resin mixed solution preparation step of mixing a liquid and an organic polymer resin (R) to prepare a resin mixed solution; and a film forming step of forming a film using the resin mixed solution.
Each step will be described below.

2-1 分散液調製工程
上記製造方法では、無機粒子を上記樹脂(R)と混合する場合、予め無機粒子を溶媒に分散させた分散液を調製してから上記樹脂(R)と混合する。さらに、上記分散液調製工程では、無機粒子、溶媒に、分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドンを添加して分散液を調製する。無機粒子と分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドンとを含む分散液を調製してから、上記樹脂(R)と混合することにより、製造する膜の表面層における樹脂(R)の割合が増加し、また、膜表面付近において特に膜表面層の空隙率が低い値に抑制され、緻密な構造となり、イオン伝導性とガスバリア性の向上が両立できる。膜により多くの「分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドン」を残存させるように、粒子に積極的に「分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドン」を作用させるため、分散液調整工程で「分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドン」を添加することが好ましい。上記分散液には、分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドン以外の分散剤を添加しても良い。
2-1 Dispersion Preparation Step In the above production method, when inorganic particles are mixed with the resin (R), a dispersion is prepared in advance by dispersing the inorganic particles in a solvent and then mixed with the resin (R). Further, in the above-described dispersion liquid preparation step, a dispersion liquid is prepared by adding polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less to the inorganic particles and the solvent. By preparing a dispersion containing inorganic particles and polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less and then mixing it with the resin (R), the ratio of the resin (R) in the surface layer of the produced film is increased. In addition, the porosity of the surface layer of the membrane is suppressed to a particularly low value in the vicinity of the membrane surface, resulting in a dense structure, which makes it possible to improve ion conductivity and gas barrier properties at the same time. In order to actively act "polyvinylpyrrolidone with a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less" on the particles so that more "polyvinylpyrrolidone with a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less" remains in the film, " Polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less" is preferably added. A dispersant other than polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less may be added to the dispersion liquid.

上記分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドンにおける分子量の下限としては、25万が好ましく、30万がより好ましい。上記分子量の上限としては、125万が好ましい。添加するポリビニルピロリドンの分子量を20万以上とすることにより、ポリビニルピロリドンの膜中への残存量が増加し、樹脂(R)の凝集に効果を発揮しやすくなると考えられる。また、添加するポリビニルピロリドンの分子量が130万を超えると、分散液の粘度が増加し、粒子の分散効果が低下する。
なお、本明細書において、分子量は重量平均分子量であり、下記のゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)法の条件で測定して求めることができる。
装置:東ソー製 HLC-8320GPC
検出器:RI
カラム:昭和電工株式会社製 Shodex KD-806M(2本)、KD-G 4A
カラム温度:40℃
流速:0.8ml/min
検量線:Polystyrene Standards
溶離液:N,N-ジメチルホルムアミド(0.1%LiBr含有)
The lower limit of the molecular weight of polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less is preferably 250,000, more preferably 300,000. The upper limit of the molecular weight is preferably 1,250,000. By setting the molecular weight of the polyvinylpyrrolidone to be added to 200,000 or more, the residual amount of the polyvinylpyrrolidone in the film is increased, and it is considered that the effect of aggregation of the resin (R) is likely to be exhibited. Further, when the molecular weight of polyvinylpyrrolidone to be added exceeds 1,300,000, the viscosity of the dispersion liquid increases, and the effect of dispersing the particles decreases.
In addition, in this specification, molecular weight is a weight average molecular weight, and can be obtained by measuring under the conditions of the following gel permeation chromatography (GPC) method.
Apparatus: Tosoh HLC-8320GPC
Detector: RI
Column: Shodex KD-806M (2 pieces) manufactured by Showa Denko K.K., KD-G 4A
Column temperature: 40°C
Flow rate: 0.8ml/min
Calibration curve: Polystyrene Standards
Eluent: N,N-dimethylformamide (containing 0.1% LiBr)

分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドンの添加量としては、無機粒子100質量部に対し、1~10質量部が好ましく、1~8質量部がより好ましく、2~7質量部がさらに好ましく、4~6質量部が特に好ましい。また、後述の樹脂混合液調製工程において混合される樹脂(R)100質量部に対し、3~30質量部が好ましく、3~40質量部がより好ましく、6~30質量部がさらに好ましく、12~20質量部が特に好ましい。 The addition amount of polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less is preferably 1 to 10 parts by mass, more preferably 1 to 8 parts by mass, and further preferably 2 to 7 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the inorganic particles. 4 to 6 parts by weight is particularly preferred. Further, it is preferably 3 to 30 parts by mass, more preferably 3 to 40 parts by mass, even more preferably 6 to 30 parts by mass, with respect to 100 parts by mass of the resin (R) mixed in the resin mixture preparation step described later. ~20 parts by weight is particularly preferred.

上記分散剤としては、カチオン系界面活性剤;アニオン系面活性剤;カルボキシ基、リン酸基、スルホン酸基等の親水性官能基を有する従来公知の顔料分散剤等が挙げられる。
カチオン系界面活性剤としては、分子内に炭素数5以上の炭化水素鎖を有するカチオン系界面活性剤がより好ましい。
アニオン系界面活性剤としては、分子内に炭素数5以上の炭化水素鎖を有するアニオン系界面活性剤がより好ましい。
ポリマー顔料分散剤としては、親水性官能基を有するポリマーであれば特に制限されないが、炭素数が5以上の炭化水素鎖を主鎖または側鎖に有するポリマーであることが好ましく、さらに構成単位(繰り返し単位)として炭素数が5以上の炭化水素鎖を含むポリマーであることがより好ましく、構成単位として炭素数が5以上のポリエステルあるいはポリエーテルを含むポリマーであることがさらに好ましい。
このようなポリマーとしては、炭素数が5以上の炭化水素鎖を含む構成単位のみを繰返し単位として含むポリマーであっても、炭素数が5以上の炭化水素鎖を含む構成単位以外の構成単位を繰返し単位としてさらに含むものであってもよい。
また、後者の場合、炭素数が5以上の炭化水素鎖を含む構成単位のみを繰返し単位として含むブロックと他の構成単位から構成されるブロックとからなるポリマーであっても、分子内に、炭素数が5以上の炭化水素鎖を含む構成単位と他の構成単位とがランダムに繋がった構造のポリマーであってもよい。
上記分散剤の使用量は、溶媒100質量部に対して、1~10質量部が好ましく、1.2~8.0質量部がより好ましく、1.5~5.0質量部以下がさらに好ましい。このようにすることにより、無機粒子の分散安定性をより効果的に向上できる。
Examples of the dispersant include cationic surfactants; anionic surfactants; and conventionally known pigment dispersants having a hydrophilic functional group such as a carboxy group, a phosphoric acid group, and a sulfonic acid group.
As the cationic surfactant, a cationic surfactant having a hydrocarbon chain with 5 or more carbon atoms in the molecule is more preferable.
As the anionic surfactant, an anionic surfactant having a hydrocarbon chain with 5 or more carbon atoms in the molecule is more preferable.
The polymer pigment dispersant is not particularly limited as long as it is a polymer having a hydrophilic functional group, but is preferably a polymer having a hydrocarbon chain having 5 or more carbon atoms in its main chain or side chain, and furthermore, a structural unit ( A polymer containing a hydrocarbon chain having 5 or more carbon atoms as a repeating unit) is more preferable, and a polymer containing a polyester or polyether having 5 or more carbon atoms as a structural unit is more preferable.
As such a polymer, even a polymer containing only a structural unit containing a hydrocarbon chain having 5 or more carbon atoms as a repeating unit, a structural unit other than a structural unit containing a hydrocarbon chain having 5 or more carbon atoms may be used. It may be further included as a repeating unit.
In the latter case, even if the polymer consists of a block containing only a structural unit containing a hydrocarbon chain having 5 or more carbon atoms as a repeating unit and a block composed of other structural units, carbon atoms in the molecule It may be a polymer having a structure in which structural units containing hydrocarbon chains of 5 or more and other structural units are randomly connected.
The amount of the dispersant used is preferably 1 to 10 parts by mass, more preferably 1.2 to 8.0 parts by mass, and even more preferably 1.5 to 5.0 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the solvent. . By doing so, the dispersion stability of the inorganic particles can be improved more effectively.

上記分散液中の無機粒子の含有量は、20~70質量%であることが好ましく、より好ましくは30~65質量%、更に好ましくは50~65質量%である。 The content of inorganic particles in the dispersion liquid is preferably 20 to 70% by mass, more preferably 30 to 65% by mass, and still more preferably 50 to 65% by mass.

無機粒子を分散させるための溶媒としては、後に混合する上記樹脂(R)を溶解し得る性質を有するものであれば特に限定されず、例えば、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、トルエン等が挙げられる。これらの溶媒は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を混合して使用してもよい。なかでも、無機粒子の分散性が良好となる点で、N-メチル-2-ピロリドンが好ましい。分散液中の無機粒子に対する溶媒の使用量は、無機粒子100質量部に対して、50~100質量部が好ましく、50~90質量部がより好ましく、50~80質量部がさらに好ましい。 The solvent for dispersing the inorganic particles is not particularly limited as long as it has the property of dissolving the resin (R) to be mixed later. Examples include N-methyl-2-pyrrolidone and N,N-dimethyl. acetamide, N,N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, methyl ethyl ketone, toluene and the like. These solvents may be used singly or in combination of two or more. Among them, N-methyl-2-pyrrolidone is preferable in terms of good dispersibility of the inorganic particles. The amount of the solvent used relative to the inorganic particles in the dispersion is preferably 50 to 100 parts by mass, more preferably 50 to 90 parts by mass, and even more preferably 50 to 80 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the inorganic particles.

無機粒子を溶媒に分散させる方法としては、特に限定されず、ミキサー、ボールミル、ジェットミル、ディスパー、サンドミル、ロールミル、ポットミル、ビーズミル、ペイントシェーカー等を用いる方法等、公知の混合分散の手段を適用することができる。 The method for dispersing the inorganic particles in the solvent is not particularly limited, and known mixing and dispersing means such as a method using a mixer, ball mill, jet mill, disper, sand mill, roll mill, pot mill, bead mill, paint shaker, etc. are applied. be able to.

上記分散液中における無機粒子の平均粒子径は、好ましくは0.1~1.0μm、より好ましくは0.15~0.8μm、さらに好ましくは0.15~0.5μmである。なお、上記分散液中における無機粒子の平均粒子径は、動的光散乱法による粒度分布測定器を用いて、分散液中に分散した無機粒子の粒子径測定を行い、キュムラント法解析により得られる平均粒子径とすることができる。 The average particle size of the inorganic particles in the dispersion is preferably 0.1 to 1.0 μm, more preferably 0.15 to 0.8 μm, still more preferably 0.15 to 0.5 μm. The average particle size of the inorganic particles in the dispersion liquid is obtained by measuring the particle size of the inorganic particles dispersed in the dispersion liquid using a particle size distribution analyzer based on the dynamic light scattering method, and performing cumulant method analysis. It can be an average particle size.

2-2 樹脂混合液調製工程
上記樹脂混合液調製工程では、上記分散液調製工程で調製された分散液に有機高分子樹脂(R)を混合して樹脂混合液を調製する。上記樹脂混合液には、親水性添加剤を添加しても良い。上記親水性添加剤としては、有機親水性添加剤であっても良く、無機親水性添加剤であってもよい。上記有機親水性添加剤としては、例えば、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキサイド、分子量10万未満のポリエチレンイミン、ポリアクリル酸、デキストラン等の水溶性ポリマー;界面活性剤;グリセリン;糖類等が挙げられる。上記無機親水性添加剤としては、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、塩化リチウム等が挙げられる。親水性添加剤の使用量は、分散液中の無機粒子100質量部に対して、0.1質量部以上20質量部以下が好ましい。
2-2 Resin mixture preparation step In the resin mixture preparation step, the dispersion prepared in the dispersion preparation step is mixed with the organic polymer resin (R) to prepare a resin mixture. A hydrophilic additive may be added to the resin mixture. The hydrophilic additive may be an organic hydrophilic additive or an inorganic hydrophilic additive. Examples of the organic hydrophilic additive include polyethylene glycol, polyethylene oxide, polyethylene imine having a molecular weight of less than 100,000, polyacrylic acid, water-soluble polymers such as dextran; surfactants; glycerin; Examples of the inorganic hydrophilic additive include calcium chloride, magnesium chloride and lithium chloride. The amount of the hydrophilic additive used is preferably 0.1 parts by mass or more and 20 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass of the inorganic particles in the dispersion.

上記分散液調製工程で調製された分散液に上記樹脂(R)を混合する方法としては、上記分散液と上記樹脂(R)を充分に混合することができる方法であれば特に限定されず、上記分散液に上記樹脂(R)をそのまま混合してもよいし、予め上記樹脂(R)を溶媒に溶解させた樹脂溶液を調製して、上記樹脂溶液と上記分散液とを混合してもよい。なかでも、上記無機粒子と上記樹脂(R)をより均一に分散・混合できる点で、上記樹脂溶液を調製して、上記樹脂溶液と上記分散液とを混合して樹脂混合液とする方法が好ましい。 The method for mixing the resin (R) with the dispersion liquid prepared in the dispersion liquid preparation step is not particularly limited as long as it is a method capable of sufficiently mixing the dispersion liquid and the resin (R). The resin (R) may be mixed with the dispersion as it is, or a resin solution may be prepared by dissolving the resin (R) in a solvent in advance, and the resin solution and the dispersion may be mixed. good. Among them, a method of preparing the resin solution and mixing the resin solution and the dispersion to obtain a resin mixed solution is preferred because the inorganic particles and the resin (R) can be more uniformly dispersed and mixed. preferable.

上記樹脂混合液を調製する場合に使用する溶媒としては、上記樹脂(R)を溶解する性質を有するものであれば特に限定されず、例えば、N-メチル-2-ピロリドン、N,N-ジメチルアセトアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、メチルエチルケトン、トルエン等が挙げられる。なかでも、上記無機粒子と上記樹脂(R)がより均一に分散・混合できる点で、上記分散液の調製に使用した溶媒と同じ溶媒が好ましい。 The solvent used for preparing the resin mixture is not particularly limited as long as it has the property of dissolving the resin (R). Examples include N-methyl-2-pyrrolidone and N,N-dimethyl. Acetamide, N,N-dimethylformamide, dimethylsulfoxide, methyl ethyl ketone, toluene and the like. Among them, the same solvent as the solvent used for preparing the dispersion liquid is preferable in that the inorganic particles and the resin (R) can be dispersed and mixed more uniformly.

上記樹脂溶液中の上記樹脂(R)の含有量は、5~50質量%であることが好ましく、10~45質量%であることがより好ましく、15~40質量%であることが更に好ましい。
上記混合する方法としては、上記分散液調製工程で記載した混合分散の手段と同様の手段が挙げられる。
The content of the resin (R) in the resin solution is preferably 5 to 50% by mass, more preferably 10 to 45% by mass, even more preferably 15 to 40% by mass.
Examples of the mixing method include the same means as the mixing and dispersing means described in the dispersion liquid preparation step.

上記分散液と上記樹脂(R)は、好ましくは、無機粒子100質量部に対して、上記樹脂(R)が10~40質量部、より好ましくは12~35質量部、さらに好ましくは15~33質量部になるように混合することが好ましい。無機粒子と上記樹脂(R)の含有割合が上述した範囲であると、得られたアルカリ水電解用隔膜のアルカリ溶液中での無機成分の溶出が更に一層抑制され、より高いイオン伝導性を示すと共に、イオン透過性、ガスバリア性、耐熱性及び耐アルカリ性にもより優れたアルカリ水電解用隔膜を製造できる。 The dispersion liquid and the resin (R) are preferably 10 to 40 parts by mass, more preferably 12 to 35 parts by mass, still more preferably 15 to 33 parts by mass, based on 100 parts by mass of the inorganic particles. It is preferable to mix so that it becomes a mass part. When the content ratio of the inorganic particles and the resin (R) is within the range described above, the elution of inorganic components in the resulting diaphragm for alkaline water electrolysis in an alkaline solution is further suppressed, and higher ion conductivity is exhibited. In addition, it is possible to produce a diaphragm for alkaline water electrolysis that is more excellent in ion permeability, gas barrier properties, heat resistance and alkali resistance.

上記無機粒子の分散液と上記樹脂(R)の溶液とを混合する場合、無機粒子の分散液中の溶媒と上記樹脂(R)の溶液中の溶媒との合計含有量は、無機粒子の分散液と上記樹脂(R)の溶液との合計質量100質量%に対して、30~75質量%であることが好ましい。より好ましくは、35~70質量%であり、更に好ましくは、40~65質量%である。アルカリ水電解用隔膜の空隙率を好ましい範囲に調整するためにはこのような割合で溶媒を用いることが好ましい。 When the dispersion of the inorganic particles and the solution of the resin (R) are mixed, the total content of the solvent in the dispersion of the inorganic particles and the solvent in the solution of the resin (R) is the dispersion of the inorganic particles. It is preferably 30 to 75 mass % with respect to 100 mass % of the total mass of the liquid and the solution of the resin (R). More preferably 35 to 70% by mass, still more preferably 40 to 65% by mass. In order to adjust the porosity of the diaphragm for alkaline water electrolysis to a preferable range, it is preferable to use the solvent in such a ratio.

2-3 膜形成工程
上記膜形成工程では、上記樹脂混合液調製工程で得られた樹脂混合液を用いて膜を形成する。
上記膜を形成する方法としては、アルカリ溶液中での無機成分の溶出がより一層抑制されたアルカリ水電解用隔膜を容易に製造することができる点で、下記の工程(a)、(b)を含むことが好ましい。
(a)上記樹脂混合液の塗膜を形成する工程、及び、
(b)上記塗膜を非溶媒と接触させることにより上記塗膜を凝固させ、多孔質膜を得る工程
2-3 Film Formation Step In the film formation step, a film is formed using the resin mixture obtained in the resin mixture preparation step.
As a method for forming the membrane, the following steps (a) and (b) can be used in that a diaphragm for alkaline water electrolysis in which the elution of inorganic components in an alkaline solution is further suppressed can be easily produced. is preferably included.
(a) forming a coating film of the resin mixture, and
(b) contacting the coating film with a non-solvent to solidify the coating film to obtain a porous film;

(a)樹脂混合液の塗膜を形成する工程
上記樹脂混合液の塗膜を形成する方法としては、例えば、上記で得られた樹脂混合液を基材上に塗布する方法や、上記樹脂混合液中に基材を浸漬させ、上記樹脂混合液が含浸した基材を得る方法等が挙げられる。なかでも、簡便に塗膜を形成できる点で、上記樹脂混合液を基材上に塗布する方法が好ましい。
(a) Step of forming a coating film of the resin mixed solution Examples of the method of forming a coating film of the resin mixed solution include a method of applying the resin mixed solution obtained above on a substrate, and a method of applying the resin mixed solution A method of obtaining a base material impregnated with the above-mentioned mixed resin liquid by immersing the base material in the liquid can be used. Among them, the method of applying the above-mentioned resin mixed solution onto a base material is preferable in that a coating film can be easily formed.

上記樹脂混合液を基材上に塗布する方法としては、特に限定されず、ダイコーティング、スピンコーティング、グラビアコーティング、カーテンコーティング、スプレー、アプリケーター、バーコーター等を用いる方法等の公知の塗布手段を適用することができる。 The method of applying the resin mixture onto the substrate is not particularly limited, and known coating means such as methods using die coating, spin coating, gravure coating, curtain coating, spray, applicator, bar coater, etc. are applied. can do.

上記基材としては、上記樹脂混合液を塗布して塗膜を形成することができるものであれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリビニルアセタール、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート等の樹脂からなるフィルム又はシート、ガラス板等が挙げられる。なかでも、ハンドリングが良好である点および原料コストが低減できる点で、ポリエチレンテレフタレートが好ましい。
また、上述した多孔性支持体を含むアルカリ水電解用隔膜を製造する場合は、上記基材として上記多孔性支持体を使用してもよい。
The substrate is not particularly limited as long as it can be coated with the resin mixture to form a coating film. Examples of the substrate include polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polypropylene, polyethylene, polyvinyl chloride, and polyvinyl. Examples thereof include films or sheets made of resins such as acetal, polymethyl methacrylate, and polycarbonate, and glass plates. Among them, polyethylene terephthalate is preferable because it is easy to handle and the material cost can be reduced.
Moreover, when manufacturing the diaphragm for alkaline water electrolysis containing the porous support mentioned above, you may use the said porous support as said base material.

また、無機粒子と上記樹脂(R)を含む膜と多孔性支持体とが一体化した複合体であるアルカリ水電解用隔膜を製造する場合は、上記基材上に、上記樹脂混合液を塗布し、その塗液上に上記多孔性支持体を置いて塗液を上記多孔性支持体に含浸させてもよい。 In the case of producing a diaphragm for alkaline water electrolysis, which is a composite in which a membrane containing inorganic particles, the resin (R), and a porous support are integrated, the resin mixed solution is applied onto the base material. Then, the porous support may be placed on the coating liquid to impregnate the porous support with the coating liquid.

上記樹脂混合液の塗布量としては、特に限定されず、上記隔膜が、上述した効果が発揮できる厚みを有するよう適宜設定すればよい。 The amount of the resin mixed solution to be applied is not particularly limited, and may be appropriately set so that the diaphragm has a thickness capable of exhibiting the above-described effects.

(b)上記塗膜を非溶媒と接触させることにより上記塗膜を凝固させる工程
上記塗膜を非溶媒と接触させることにより、上記塗膜中に非溶媒が拡散し、非溶媒に溶解しない上記樹脂(R)が凝固する。一方、非溶媒に溶解しうる塗膜中の溶媒は、塗膜から溶出する。このように相分離が生じることにより、上記樹脂(R)(及び無機粒子)が凝固し、多孔質膜が形成される。
(b) a step of solidifying the coating film by contacting the coating film with a non-solvent, thereby causing the non-solvent to diffuse in the coating film and not dissolving in the non-solvent; Resin (R) solidifies. On the other hand, the solvent in the coating film that is soluble in the non-solvent is eluted from the coating film. Due to the occurrence of phase separation in this manner, the resin (R) (and the inorganic particles) is solidified to form a porous film.

上記塗膜と非溶媒とを接触させる方法としては、上記塗膜を上記非溶媒中に浸漬させる方法(凝固浴)、上記塗膜を上記非溶媒蒸気雰囲気中に晒す方法等が挙げられる。また、塗膜を上記非溶媒蒸気雰囲気中に晒した後、引き続き、非溶媒中に浸漬させてもよい。この場合に、非溶媒蒸気雰囲気中に晒す時間は3~60秒程度、非溶媒中に浸漬する時間は、1~15分程度とすることができる。 Examples of the method of bringing the coating film into contact with the non-solvent include a method of immersing the coating film in the non-solvent (coagulation bath), and a method of exposing the coating film to the non-solvent vapor atmosphere. Alternatively, after the coating film is exposed to the non-solvent vapor atmosphere, it may be subsequently immersed in the non-solvent. In this case, the exposure time to the non-solvent vapor atmosphere can be about 3 to 60 seconds, and the time to be immersed in the non-solvent can be about 1 to 15 minutes.

塗膜を浸漬する非溶媒の温度としては、10℃以上が好ましく、15℃以上がより好ましく、20℃以上がさらに好ましい。また、55℃以下が好ましく、50℃以下がより好ましく、45℃以下がより好ましい。このような温度とすることにより、製造した隔膜におけるイオンパスをより多く形成でき、高いイオン伝導性を示すと共に、より高いガスバリア性とより高い耐久性を両立したアルカリ水電解用隔膜をより容易に製造できる。 The temperature of the non-solvent in which the coating film is immersed is preferably 10°C or higher, more preferably 15°C or higher, and even more preferably 20°C or higher. Moreover, 55 degrees C or less is preferable, 50 degrees C or less is more preferable, and 45 degrees C or less is more preferable. By setting such a temperature, more ion paths can be formed in the manufactured diaphragm, and a diaphragm for alkaline water electrolysis that exhibits high ionic conductivity, higher gas barrier properties, and higher durability can be more easily manufactured. can.

上記非溶媒としては、上記樹脂(R)を実質的に溶解しない性質を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、イオン交換水;メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の低級アルコール;又はこれらの混合溶媒等が好ましく使用できる。経済性と廃液処理の観点からはイオン交換水が好ましい。また上記非溶媒は、上述した成分以外に、塗膜中に含まれる溶媒と同様の溶媒を少量含んでいてもよい。 The non-solvent is not particularly limited as long as it has the property of not substantially dissolving the resin (R). A mixed solvent or the like can be preferably used. Ion-exchanged water is preferable from the viewpoint of economy and waste liquid treatment. In addition to the components described above, the non-solvent may contain a small amount of the same solvent as the solvent contained in the coating film.

上記非溶媒の使用量は、塗膜100質量部、すなわち、塗膜の形成に用いられる樹脂混合液の固形分100質量部に対して、50~10000質量部であることが好ましい。より好ましくは、100~5000質量部であり、更に好ましくは、200~1000質量部である。得られる隔膜の空隙率を好ましい範囲に調整する点、塗膜中の溶媒を完全に非溶媒中に抽出する点において、非溶媒をこのような割合で使用することが好ましい。 The amount of the non-solvent used is preferably 50 to 10,000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the coating film, ie, 100 parts by mass of the solid content of the resin mixture used for forming the coating film. It is more preferably 100 to 5000 parts by mass, still more preferably 200 to 1000 parts by mass. It is preferable to use the non-solvent in such a ratio in order to adjust the porosity of the membrane to be obtained within a preferable range and to completely extract the solvent in the coating film into the non-solvent.

更に、非溶媒を除去するために、上記工程で凝固した塗膜を乾燥させて、隔膜を得てもよい。
上記塗膜の乾燥温度としては、60~120℃が好ましい。
乾燥時間としては、0.5~120分が好ましく、1~60分がより好ましく、1~30分が更に好ましい。
Furthermore, in order to remove the non-solvent, the coating film solidified in the above step may be dried to obtain the diaphragm.
The drying temperature for the coating film is preferably 60 to 120°C.
The drying time is preferably 0.5 to 120 minutes, more preferably 1 to 60 minutes, even more preferably 1 to 30 minutes.

本発明のアルカリ水電解用隔膜の製造方法では、膜形成工程において分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドンが非溶媒中へ一部溶出せず残存することにより塗膜表面が緻密化され、かつ電解液に濡れやすくなることで、膜表面付近において特に膜表面層の空隙率が低い値に抑制され、緻密な構造となり、イオン伝導性とガスバリア性の向上が両立できる膜が製造されると考えられる。 In the method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention, polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less remains in the non-solvent without partially eluting in the film forming step, thereby densifying the surface of the coating film, and We believe that by making it easier to get wet with the electrolyte, the porosity of the surface layer of the membrane is suppressed to a low value near the surface of the membrane, resulting in a dense structure and the production of a membrane that can improve both ion conductivity and gas barrier properties. be done.

このように、上述した工程により、本発明のアルカリ水電解用隔膜を簡便に製造することができる。 As described above, the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can be easily produced by the steps described above.

3.用途
本発明のアルカリ水電解用隔膜では、高いイオン伝導性を示すと共に、より高いガスバリア性とより高い耐久性を両立する。そのため、本発明のアルカリ水電解用隔膜は、アルカリ性水溶液を電解液とした水の電気分解用の隔膜として好適に使用することができる。また、上述したアルカリ水電解用隔膜の他、アルカリ形燃料電池用セパレータ、1次電池用セパレータ、2次電池用セパレータ等の電池用セパレータ、食塩電解用セパレータ等の用途に用いることができる。
3. Applications The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention exhibits high ion conductivity, and simultaneously achieves higher gas barrier properties and higher durability. Therefore, the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention can be suitably used as a diaphragm for water electrolysis using an alkaline aqueous solution as an electrolyte. In addition to the diaphragm for alkaline water electrolysis described above, it can also be used for battery separators such as alkaline fuel cell separators, primary battery separators, secondary battery separators, and salt electrolysis separators.

4.アルカリ水電解装置
本発明のアルカリ水電解用隔膜は、アルカリ水電解装置の部材として用いられる。上記アルカリ水電解装置としては、例えば、陽極、陰極、及び、陽極と陰極の間に配置された上記アルカリ水電解用隔膜を含むものが挙げられる。より具体的には、上記アルカリ水電解装置は、上記アルカリ水電解用隔膜によって隔てられた、陽極が存在する陽極室と、陰極が存在する陰極室とを有する。
陽極、及び陰極としては、ニッケル又はニッケル合金等を含む導電性基体等、公知の電極が挙げられる。
4. Alkaline Water Electrolysis Apparatus The diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is used as a member of an alkaline water electrolysis apparatus. Examples of the alkaline water electrolysis apparatus include those including an anode, a cathode, and the diaphragm for alkaline water electrolysis arranged between the anode and the cathode. More specifically, the alkaline water electrolysis apparatus has an anode chamber in which an anode exists and a cathode chamber in which a cathode exists, which are separated by the diaphragm for alkaline water electrolysis.
The anode and cathode include known electrodes such as conductive substrates containing nickel, nickel alloys, and the like.

5.電解方法
本発明のアルカリ水電解用隔膜を備えたアルカリ水電解装置を用いて行う水の電気分解の方法は、特に限定されず、公知の方法で行うことができる。例えば、上述した本発明のアルカリ水電解用隔膜を備えたアルカリ水電解装置に、電解液を充填し、電解液中で電流を印加することにより行うことができる。
上記電解液としては、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウム等の電解質を溶解したアルカリ性水溶液が用いられる。上記電解液における電解質の濃度は、特に限定されないが、電解効率がより一層向上し得る点で、20~40質量%であることが好ましい。
また、電気分解を行う場合の温度としては、電解液のイオン伝導性がより向上し、電解効率がより一層向上し得る点で、50~120℃が好ましく、80~90℃がより好ましい。電流の印加条件は、公知の条件・方法で行うことができる。
5. Electrolysis method The method of electrolyzing water using the alkaline water electrolysis apparatus provided with the diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention is not particularly limited, and a known method can be used. For example, it can be carried out by filling an electrolytic solution into an alkaline water electrolysis apparatus provided with the above-described diaphragm for alkaline water electrolysis of the present invention and applying an electric current in the electrolytic solution.
As the electrolytic solution, an alkaline aqueous solution in which an electrolyte such as potassium hydroxide or sodium hydroxide is dissolved is used. Although the concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is not particularly limited, it is preferably 20 to 40% by mass from the viewpoint of further improving the electrolysis efficiency.
The temperature for electrolysis is preferably 50 to 120° C., more preferably 80 to 90° C., since the ion conductivity of the electrolytic solution can be further improved and the electrolysis efficiency can be further improved. Current application conditions can be performed by known conditions and methods.

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「質量部」を、「%」は「質量%」を意味するものとする。 EXAMPLES The present invention will be described in more detail with reference to examples below, but the present invention is not limited only to these examples. Unless otherwise specified, "part" means "mass part" and "%" means "mass %".

<実施例1>
(1.水酸化マグネシウム分散液の調製)
水酸化マグネシウム(平均粒子径0.54μm)とN-メチル-2-ピロリドン(富士フイルム和光純薬工業社製)を質量比1:1となるよう混合し、水酸化マグネシウム粒子100質量%に対して、分子量120万のポリビニルピロリドンを6質量%加え、ジルコニアメディアボールを入れたポットミルにて、室温で6時間分散処理を行うことにより水酸化マグネシウム分散液を調製した。
<Example 1>
(1. Preparation of magnesium hydroxide dispersion)
Magnesium hydroxide (average particle size 0.54 μm) and N-methyl-2-pyrrolidone (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are mixed so that the mass ratio is 1:1, and magnesium hydroxide particles are 100% by mass. Then, 6% by mass of polyvinylpyrrolidone having a molecular weight of 1,200,000 was added, and dispersion treatment was performed at room temperature for 6 hours using a pot mill containing zirconia media balls to prepare a magnesium hydroxide dispersion.

(2.ポリスルホン樹脂溶解液の調製)
ポリスルホン樹脂(BASF社製、品番ウルトラゾーンS3010)を30質量%の濃度で80~100℃にてN-メチル-2-ピロリドン(富士フイルム和光純薬工業社製)に熱溶解させた。その後、自転公転ミキサー(シンキー社製、品番あわとり練太郎ARE-500)にて室温で1000rpmで約10分間混合してポリスルホン樹脂溶解液を調製した。
(2. Preparation of polysulfone resin solution)
Polysulfone resin (manufactured by BASF, product number Ultrason S3010) was thermally dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (manufactured by FUJIFILM Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) at a concentration of 30% by mass at 80 to 100°C. After that, they were mixed at room temperature for about 10 minutes at 1000 rpm in a rotation-revolution mixer (product number Awatori Mixer ARE-500, manufactured by THINKY Co., Ltd.) to prepare a polysulfone resin solution.

(3.塗液の調製)
上記で得られた水酸化マグネシウム分散液とポリスルホン樹脂溶解液とを、固形分が40質量%かつ水酸化マグネシウム100質量部に対してポリスルホン樹脂(PSU)が33質量部になるように計量し、自転公転ミキサー(シンキー社製、品番あわとり練太郎ARE-500)にて室温で1000rpmで約10分間混合した。得られた混合液を、SUSの200メッシュで濾過することで塗液を得た。
(3. Preparation of coating liquid)
Weigh the magnesium hydroxide dispersion and the polysulfone resin solution obtained above so that the solid content is 40% by mass and the polysulfone resin (PSU) is 33 parts by mass with respect to 100 parts by mass of magnesium hydroxide, Mixing was performed at room temperature at 1000 rpm for about 10 minutes using a rotation/revolution mixer (manufactured by THINKY Co., Ltd., product number Awatori Mixer ARE-500). The resulting mixed liquid was filtered through SUS 200 mesh to obtain a coating liquid.

(4.塗膜の形成)
ポリフェニレンサルファイド不織布(東レ社製、トルコンペーパー#100)上に、乾燥後の隔膜の厚みが全体で250μmになるように塗布し、不織布に塗液を完全に含浸させた。その後、塗液を含浸させた不織布を、室温にて10分間水浴させ、塗液を凝固させて膜を形成した。水浴後、得られた膜を、乾燥機にて80℃で、30分間乾燥し、不織布と水酸化マグネシウム及びポリスルホン樹脂を含む膜との複合体からなるアルカリ水電解用隔膜を得た。
(4. Formation of coating film)
A polyphenylene sulfide nonwoven fabric (Torcon Paper #100, manufactured by Toray Industries, Inc.) was coated with the solution so that the thickness of the membrane after drying was 250 μm in total, and the nonwoven fabric was completely impregnated with the coating liquid. Thereafter, the nonwoven fabric impregnated with the coating liquid was subjected to a water bath at room temperature for 10 minutes to solidify the coating liquid and form a film. After the water bath, the obtained membrane was dried in a dryer at 80° C. for 30 minutes to obtain a diaphragm for alkaline water electrolysis comprising a composite of a nonwoven fabric, a membrane containing magnesium hydroxide and a polysulfone resin.

(5.膜厚の測定方法)
得られたアルカリ水電解用隔膜の厚さは、デジマチックマイクロメーター(ミツトヨ社製)を用いて測定した。任意10点を測定し、その平均値を膜厚とした。膜厚は250μmであった。
(5. Film thickness measurement method)
The thickness of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis was measured using a digimatic micrometer (manufactured by Mitutoyo Corporation). Ten arbitrary points were measured, and the average value was used as the film thickness. The film thickness was 250 μm.

(6.膜表面層における有機ポリマー組成割合の測定、算出方法)
得られたアルカリ水電解用隔膜の表面に垂直な断面について、長手方向の両端から中央に向かって、上記断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、上記膜の表面と該表面から1μm離れた位置との間の範囲におけるFE-SEM(日本電子社製、型番:JSM-7600F)測定による断面観察画像(倍率:20,000倍)を得た。
得られた断面観察画像に対して、解析ソフト(Image-Pro Premier)を用いて、輝度のヒストグラムから画像を明部と準明部と暗部に分け、ポリスルホン樹脂に対応する準明部の面積の合計値Paと、ポリスルホン樹脂と水酸化マグネシウムに対応する明部と準明部の面積の合計値Saを算出した。そして、水酸化マグネシウムとポリスルホン樹脂の面積の和(Sa)に対するポリスルホン樹脂の面積の和(Pa)の割合A(Pa/Sa)を求めた。
(6. Measurement and calculation method of organic polymer composition ratio in film surface layer)
With respect to the cross section perpendicular to the surface of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis, from both ends in the longitudinal direction toward the center, in a range separated by 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section, the surface of the membrane and the surface A cross-sectional observation image (magnification: 20,000 times) was obtained by FE-SEM (manufactured by JEOL Ltd., model number: JSM-7600F) measurement in a range between positions separated by 1 μm.
Analysis software (Image-Pro Premier) is used for the obtained cross-sectional observation image to divide the image into a bright portion, a semi-bright portion, and a dark portion from the brightness histogram, and the area of the semi-bright portion corresponding to the polysulfone resin is calculated. A total value Pa and a total value Sa of the areas of the light and semi-light portions corresponding to the polysulfone resin and magnesium hydroxide were calculated. Then, the ratio A (Pa/Sa) of the sum (Pa) of the area of the polysulfone resin to the sum (Sa) of the areas of the magnesium hydroxide and the polysulfone resin was determined.

同様に、得られたアルカリ水電解用隔膜の表面に垂直な断面について、長手方向の両端から中央に向かって、上記断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、上記膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲におけるFE-SEM(日本電子社製、型番:JSM-7600F)測定による断面観察画像(倍率:20,000倍)を得た。
得られた断面観察画像に対して、解析ソフト(Image-Pro Premier)を用いて輝度のヒストグラムから画像を明部と準明部と暗部に分け、ポリスルホン樹脂に対応する準明部の面積の合計値Pbと、ポリスルホン樹脂と水酸化マグネシウムに対応する明部と準明部の面積の合計値Sbを算出した。そして、水酸化マグネシウムとポリスルホン樹脂の面積の和(Sb)に対するポリスルホン樹脂の面積の和(Pb)の割合B(Pb/Sb)を求めた。
Similarly, in the cross section perpendicular to the surface of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis, from both ends in the longitudinal direction toward the center, in a range separated by 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section, from the surface of the membrane A cross-sectional observation image (magnification: 20,000 times) was obtained by FE-SEM (manufactured by JEOL Ltd., model number: JSM-7600F) in a range between a position separated by 2 μm and a position separated by 15 μm in the depth direction. .
Analysis software (Image-Pro Premier) was used to divide the image into bright, semi-bright, and dark areas from the brightness histogram of the obtained cross-sectional observation image, and the total area of the semi-bright areas corresponding to the polysulfone resin was calculated. A value Pb and a total value Sb of the areas of the bright and semi-bright portions corresponding to the polysulfone resin and magnesium hydroxide were calculated. Then, the ratio B (Pb/Sb) of the sum of the areas of the polysulfone resin (Pb) to the sum of the areas of the magnesium hydroxide and the polysulfone resin (Sb) was determined.

上記で得られた割合AとBから、比B/Aを算出した。その結果、比B/Aは1.0であった。 From the ratios A and B obtained above, the ratio B/A was calculated. As a result, the ratio B/A was 1.0.

(7.窒素残存量の測定方法)
得られたアルカリ水電解用隔膜の表面について、X線光電子分光法(ESCA)により、窒素/炭素元素atm%を測定した。その結果、窒素/炭素元素は3.7atm%であった。
(7. Method for measuring residual nitrogen amount)
The nitrogen/carbon element atm% was measured on the surface of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis by X-ray photoelectron spectroscopy (ESCA). As a result, the nitrogen/carbon element was 3.7 atm %.

(8.膜表面層における空隙率割合の測定、算出方法)
得られたアルカリ水電解用隔膜の表面に垂直な断面について、長手方向の両端から中央に向かって、上記断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、上記膜の表面と該表面から1μm離れた位置との間の範囲におけるFE-SEM(日本電子社製、型番:JSM-7600F)測定による断面観察画像(倍率:20,000倍)を得た。
得られた断面観察画像に対して、解析ソフト(Image-Pro Premier)を用いて、輝度のヒストグラムから画像を明部と暗部に分け、空隙に対応する暗部の面積の合計値の面積率から、空隙率Cを求めた。
(8. Measurement and calculation method of porosity ratio in membrane surface layer)
With respect to the cross section perpendicular to the surface of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis, from both ends in the longitudinal direction toward the center, in a range separated by 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section, the surface of the membrane and the surface A cross-sectional observation image (magnification: 20,000 times) was obtained by FE-SEM (manufactured by JEOL Ltd., model number: JSM-7600F) measurement in a range between positions separated by 1 μm.
Analysis software (Image-Pro Premier) is used for the obtained cross-sectional observation image to divide the image into bright and dark areas from the brightness histogram, and from the area ratio of the total area of the dark areas corresponding to the voids, A porosity C was determined.

同様に、得られたアルカリ水電解用隔膜の表面に垂直な断面について、長手方向の両端から中央に向かって、上記断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、上記膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲におけるFE-SEM(日本電子社製、型番:JSM-7600F)測定による断面観察画像(倍率:20,000倍)を得た。
得られた断面観察画像に対して、解析ソフト(Image-Pro Premier)を用いて、輝度のヒストグラムから画像を明部と暗部に分け、空隙に対応する暗部の面積の合計値の面積率から、空隙率Dを求めた。
Similarly, in the cross section perpendicular to the surface of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis, from both ends in the longitudinal direction toward the center, in a range separated by 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section, from the surface of the membrane A cross-sectional observation image (magnification: 20,000 times) was obtained by FE-SEM (manufactured by JEOL Ltd., model number: JSM-7600F) in a range between a position separated by 2 μm and a position separated by 15 μm in the depth direction. .
Analysis software (Image-Pro Premier) is used for the obtained cross-sectional observation image to divide the image into bright and dark areas from the brightness histogram, and from the area ratio of the total area of the dark areas corresponding to the voids, A porosity D was determined.

上記で得られた空隙率CとDから、比D/Cを算出した。その結果、比D/Cは2.2であった。 A ratio D/C was calculated from the porosities C and D obtained above. As a result, the ratio D/C was 2.2.

(9.バブルポイント値の測定)
得られたアルカリ水電解用隔膜について、リキッドポロシメーター(Porous Materials社製)を用いてバブルポイント値を測定した。具体的には、2.5cmφの隔膜をイオン交換水中に室温で1時間浸漬させて十分に湿潤させた後、フッ素系溶剤であるGalwick(Porous Materials社製)を隔膜上に満たした。隔膜に対するガス圧を昇圧させていき、水の液膜が破壊されて、Galwickが膜を透過して天秤でその重量を観測した時点のガス圧をバブルポイント値とした。上記隔膜のバブルポイント値は、測定上限の1000kPa以上であった。
(9. Measurement of bubble point value)
The bubble point value of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis was measured using a liquid porosimeter (manufactured by Porous Materials). Specifically, a diaphragm of 2.5 cmφ was immersed in deionized water at room temperature for 1 hour to be sufficiently wet, and then the diaphragm was filled with Galwick (manufactured by Porous Materials), which is a fluorine-based solvent. The gas pressure against the diaphragm was increased, the liquid film of water was broken, Galwick permeated the film, and the gas pressure at the time when the weight was observed with a balance was taken as the bubble point value. The bubble point value of the diaphragm was 1000 kPa or more, which is the upper limit of measurement.

(10.ガーレー値の測定)
得られたアルカリ水電解用隔膜について、デジタル型王研式透気度試験機EGBO-S-1(旭精工社製)を用いてガーレー値を測定した。
上記隔膜のガーレー値は、600sであった。
(10. Measurement of Gurley value)
The Gurley value of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis was measured using a digital Oken type air permeability tester EGBO-S-1 (manufactured by Asahi Seiko Co., Ltd.).
The Gurley value of the diaphragm was 600s.

(11.イオン伝導度の測定方法)
得られたアルカリ水電解用隔膜について、下記測定方法によりイオン伝導度を測定した。その結果、160mS/cmであった。
(測定方法)
測定用の隔膜試料を2枚準備する。
各隔膜試料を用いて、以下のセル構成で形成したセルを25℃の恒温槽内で30分静置した後、以下の測定条件で交流インピーダンス測定を行い、得られた切片成分(Ra)と測定サンプルを入れない場合の切片成分(Rb)および上記膜厚測定方法により得られた膜厚の値を用いて、下記式によりイオン伝導度を測定する。
隔膜試料2枚について上記測定を行い、得られた測定値(2点)の平均値を算出し、これを隔膜のイオン伝導度とする。
[イオン伝導度(mS/cm)]=[膜厚(cm)]÷[(Ra-Rb)×1000×1.77]
(測定条件)
・セル構成
作用極:Ni板
対極 :Ni板
電解液:30質量%水酸化カリウム水溶液
サンプル前処理:上記電解液に1晩浸漬
測定有効面積:1.77cm
・交流インピーダンス測定条件
印加電圧:10mV vs.開回路電圧
周波数領域:100kHz~100Hz
(11. Method for measuring ionic conductivity)
The ionic conductivity of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis was measured by the following measuring method. As a result, it was 160 mS/cm.
(Measuring method)
Prepare two diaphragm samples for measurement.
Using each diaphragm sample, a cell formed with the following cell configuration was allowed to stand in a constant temperature bath at 25° C. for 30 minutes, and then AC impedance was measured under the following measurement conditions. The ionic conductivity is measured by the following formula using the intercept component (Rb) in the absence of a measurement sample and the film thickness value obtained by the film thickness measurement method described above.
The above measurement is performed on two membrane samples, and the average value of the obtained measured values (two points) is calculated and taken as the ionic conductivity of the membrane.
[Ionic conductivity (mS / cm)] = [film thickness (cm)] ÷ [(Ra-Rb) × 1000 × 1.77]
(Measurement condition)
・Cell configuration Working electrode: Ni plate Counter electrode: Ni plate Electrolyte solution: 30% by mass potassium hydroxide aqueous solution Sample pretreatment: immersed overnight in the above electrolyte solution Effective area for measurement: 1.77 cm 2
- AC impedance measurement conditions Applied voltage: 10 mV vs. Open circuit voltage Frequency range: 100kHz to 100Hz

<実施例2>
ポリビニルピロリドンの使用量を、水酸化マグネシウム粒子100質量%に対して10質量%に変更した以外は、実施例1と同様にしてアルカリ水電解用隔膜を得た。膜厚は270μm、上記比B/Aは0.8、上記比D/Cは3.1、バブルポイント値は上限の1000kPa以上、ガーレー値は10600S、膜表面の窒素/炭素元素は6.5atm%であった。
得られたアルカリ水電解用隔膜について実施例1の場合と同様にしてイオン伝導度を測定した結果、140mS/cmであった。
<Example 2>
A diaphragm for alkaline water electrolysis was obtained in the same manner as in Example 1, except that the amount of polyvinylpyrrolidone used was changed to 10% by mass with respect to 100% by mass of magnesium hydroxide particles. The film thickness is 270 μm, the ratio B/A is 0.8, the ratio D/C is 3.1, the bubble point value is 1000 kPa or more, which is the upper limit, the Gurley value is 10600 S, and the nitrogen/carbon elements on the film surface are 6.5 atm. %Met.
As a result of measuring the ionic conductivity of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis in the same manner as in Example 1, it was 140 mS/cm.

<比較例1>
ポリビニルピロリドンを使用しなかった以外は、実施例1と同様にしてアルカリ水電解用隔膜を得た。膜厚は240μm、上記比B/Aは1.3、上記比D/Cは1.5、バブルポイント値は測定上限の1000kPa以上、ガーレー値は69S、膜表面の窒素/炭素元素は0atm%であった。
得られたアルカリ水電解用隔膜について実施例1の場合と同様にしてイオン伝導度を測定した結果、135mS/cmであった。
<Comparative Example 1>
A diaphragm for alkaline water electrolysis was obtained in the same manner as in Example 1, except that polyvinylpyrrolidone was not used. The film thickness is 240 μm, the ratio B/A is 1.3, the ratio D/C is 1.5, the bubble point value is 1000 kPa or more, which is the upper limit of measurement, the Gurley value is 69 S, and the nitrogen/carbon elements on the film surface are 0 atm %. Met.
As a result of measuring the ionic conductivity of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis in the same manner as in Example 1, it was 135 mS/cm.

<比較例2>
ポリビニルピロリドンについて、分子量を10万に変更し、水酸化マグネシウム粒子100質量%に対して、3質量%加えた以外は、実施例1と同様にしてアルカリ水電解用隔膜を得た。膜厚は260μm、上記比B/Aは1.1、上記比D/Cは1.5、バブルポイント値は490kPa、ガーレー値は279S、膜表面の窒素/炭素元素は1.8atm%であった。
得られたアルカリ水電解用隔膜について実施例1の場合と同様にしてイオン伝導度を測定した結果、150mS/cmであった。
<Comparative Example 2>
A diaphragm for alkaline water electrolysis was obtained in the same manner as in Example 1, except that the molecular weight of polyvinylpyrrolidone was changed to 100,000 and 3% by mass was added to 100% by mass of magnesium hydroxide particles. The film thickness was 260 μm, the ratio B/A was 1.1, the ratio D/C was 1.5, the bubble point value was 490 kPa, the Gurley value was 279 S, and the nitrogen/carbon elements on the film surface were 1.8 atm %. rice field.
As a result of measuring the ion conductivity of the obtained diaphragm for alkaline water electrolysis in the same manner as in Example 1, it was 150 mS/cm.

実施例1と比較例1を比較すると、バブルポイント値は上限オーバーで同じであったが、実施例1ではガーレー値が大きく、緻密性が向上(ガスバリア性が向上)した。実施例、比較例ともにイオン伝導度は全て良好な値であったが、実施例では、より高いレベルでイオン伝導性とガスバリア性を両立できた。 Comparing Example 1 and Comparative Example 1, the bubble point value was the same, exceeding the upper limit, but Example 1 had a larger Gurley value and improved denseness (improved gas barrier properties). The ionic conductivity values of both the examples and the comparative examples were all good values, but in the examples, both the ionic conductivity and the gas barrier property could be achieved at a higher level.

1 アルカリ水電解用隔膜
2 単膜層
3 支持体層
10 アルカリ水電解用隔膜の断面
11 アルカリ水電解用隔膜の表面
a アルカリ水電解用隔膜の表面に垂直な断面の幅
S アルカリ水電解用隔膜の表面から深さ方向
Ta,Tb 測定範囲

1 Diaphragm for alkaline water electrolysis 2 Single membrane layer 3 Support layer 10 Cross section of diaphragm for alkaline water electrolysis 11 Surface a of diaphragm for alkaline water electrolysis Width S of cross section perpendicular to surface of diaphragm for alkaline water electrolysis Diaphragm for alkaline water electrolysis Depth direction Ta, Tb measurement range from the surface of

Claims (3)

有機ポリマーと無機粒子とを含むアルカリ水電解用隔膜であって、
該膜の表面に垂直な断面において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面と該膜の表面から深さ方向に1μm離れた位置との間の範囲における、無機粒子と有機ポリマーの面積の和(Sa)に対する有機ポリマーの面積の和(Pa)の割合A(Pa/Sa)と、該膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲における、無機粒子と有機ポリマーの面積の和(Sb)に対する有機ポリマーの面積の和(Pb)の割合B(Pb/Sb)との比B/Aが0.6以上1.0以下である
アルカリ水電解用隔膜。
A diaphragm for alkaline water electrolysis containing an organic polymer and inorganic particles,
In the cross section perpendicular to the surface of the film, from both ends in the longitudinal direction toward the center, in a range separated by 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section, the surface of the film and the depth direction from the surface of the film The ratio A (Pa/Sa) of the sum of the areas of the organic polymer to the sum of the areas of the inorganic particles and the organic polymer (Sa) in the range between the position 1 μm away and the depth from the surface of the film The ratio B (Pb/Sb) of the sum of the areas of the organic polymer (Pb) to the sum of the areas of the inorganic particles and the organic polymer (Sb) in the range between the positions separated by 2 μm and the positions separated by 15 μm in the direction A diaphragm for alkaline water electrolysis having a ratio B/A of 0.6 or more and 1.0 or less.
前記アルカリ水電解用隔膜の表面に垂直な断面において、長手方向の両端から中央に向かって、該断面の幅aに対し0.4a以上離れた範囲で、該膜の表面と該膜の表面から深さ方向に1μm離れた位置との間の範囲における空隙率Cと、該膜の表面から深さ方向に2μm離れた位置と15μm離れた位置との間の範囲における空隙率Dとの比D/Cが1.8以上である、
請求項1に記載のアルカリ水電解用隔膜。
In the cross section perpendicular to the surface of the diaphragm for alkaline water electrolysis, from both ends in the longitudinal direction toward the center, in a range separated by 0.4 a or more with respect to the width a of the cross section, the surface of the membrane and the surface of the membrane The ratio D of the porosity C in the range between the position 1 μm away in the depth direction and the porosity D in the range between the position 2 μm away in the depth direction and the position 15 μm away from the surface of the film /C is 1.8 or more,
The diaphragm for alkaline water electrolysis according to claim 1.
無機粒子、重量平均分子量20万以上130万以下のポリビニルピロリドン、及び溶媒を含む分散液を調製する分散液調製工程、
該分散液と有機高分子樹脂(R)を混合して樹脂混合液を調製する樹脂混合液調製工程、及び、
該樹脂混合液を用いて膜を形成する膜形成工程を含み、
前記分散液調整工程では、前記ポリビニルピロリドンの添加量を、前記無機粒子100質量部に対して1~10質量部とする
アルカリ水電解用隔膜の製造方法。
a dispersion preparation step of preparing a dispersion containing inorganic particles, polyvinylpyrrolidone having a weight average molecular weight of 200,000 or more and 1,300,000 or less, and a solvent;
a resin mixture preparation step of mixing the dispersion and the organic polymer resin (R) to prepare a resin mixture;
including a film forming step of forming a film using the resin mixture;
In the dispersion liquid adjustment step, the amount of the polyvinylpyrrolidone added is 1 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the inorganic particles.
A method for producing a diaphragm for alkaline water electrolysis.
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