膜、复合膜、膜电极接合体和水电解装置

本发明涉及膜、复合膜、膜电极接合体和水电解装置。

背景技术：

1、水的电解(水电解)能够在不产生二氧化碳的情况下由电转换为氢，因此作为将可再生能源以氢能方式进行储藏的电-氢储藏系统而受到关注。水电解方式有碱水电解、固体高分子型水电解等。使用碱水溶液的碱水电解存在输出无法追随变动的可再生能源的输出变动的缺点。在使用了质子传导膜的质子型的固体高分子型水电解中，从耐腐蚀性的方面出发，需要使用铂等贵金属，存在装置制造成本增大的课题。

2、因此，研究了使用阴离子传导膜的固体碱水电解(例如专利文献1)。根据固体碱水电解，电极等无需使用贵金属，能够抑制装置成本。

3、关于阴离子传导膜，提出了各种方案(例如专利文献2～3等)。

4、现有技术文献

5、专利文献

6、专利文献1：日本特开2018-197398号公报

7、专利文献2：日本特开2021-161472号公报

8、专利文献3：日本特开2015-095286号公报

技术实现思路

1、发明所要解决的课题

2、近年来，从提高效率的方面出发，研究了利用具有数十～数百nm左右大小的细孔的多孔基材的碱水电解。但是，该多孔基材存在能够使产生的氧气和氢气透过的课题，为了应对该课题，薄膜化存在限度。

3、另外，需要耐久性、特别是对于在高电压下工作时的副产物自由基的耐久性优异的膜。

4、本发明的目的在于提供一种能够制造水电解性能高的水电解装置且耐久性优异的膜和复合膜、具备该膜的膜电极接合体以及水电解装置。

5、用于解决课题的手段

6、本发明的膜的特征在于，其包含具有离子性基团的氟化合物，

7、具备oh-离子传导性，

8、在碱水溶液中的电导率高于2×10-2s/cm。

9、上述膜在碱水溶液中的电导可以为5s/cm2以上。

10、上述膜的膜厚可以为1μm～100μm。

11、上述膜的上述氟化合物的离子交换容量可以为1,200g/eq以下，也可以为1,000g/eq以下。

12、上述膜的上述氟化合物可以包含下述式(1)所示的结构。

13、[化1]

14、

15、其中，

16、r1为离子性基团，

17、l1为2价连接基团，

18、x和y各自独立地为1以上的整数。

19、上述膜的上述l1可以为下述式(2)所示的基团。

20、*-(o)a-r2-**(2)

21、其中，

22、r2是在碳-碳键间具有或不具有醚键的碳原子数1～20的氟代亚烷基，

23、a为0或1，

24、*为与主链的结合键，**为与r1的结合键。

25、上述膜的上述r2可以为碳原子数1～4的氟代亚烷基。

26、上述膜的上述离子性基团可以为磺酸基。

27、上述膜可以为上述氟化合物被填充于多孔基材而成的。

28、上述膜的上述电导率可以为2.5×10-2s/cm以上。

29、上述膜的上述电导率可以为3×10-2s/cm以上。

30、上述膜的平均团簇尺寸可以为5nm以上。

31、本发明的复合膜在第1膜的至少一个面具备上述本发明的膜，

32、上述第1膜为无孔膜、具有平均团簇尺寸小于5nm的团簇的膜、或细孔填充膜，上述细孔填充膜具有多孔基材和被填充于该多孔基材的细孔内的聚亚芳基聚合物。

33、本发明的膜电极接合体具备上述膜或复合膜、阳极催化剂和阴极催化剂。

34、上述膜电极接合体中，上述阳极催化剂可以具有金属或金属合金的多孔体。

35、上述膜电极接合体中，上述阳极催化剂可以具有镍泡沫。

36、上述膜电极接合体中，上述阳极催化剂可以为在镍泡沫上依次具有包含niooh的氧化镍层和包含nife的层的催化剂，或者，

37、可以为在镍泡沫上具有包含ni2p和fe2p的磷化物层的催化剂。

38、上述膜电极接合体中，上述阴极催化剂可以具有金属或金属合金的多孔体。

39、上述膜电极接合体中，上述阴极催化剂可以在上述多孔体上具有包含ru和金属化物的层。

40、本发明的水电解装置具备上述膜电极接合体。

41、发明的效果

42、根据本发明，提供一种能够制造水电解性能高的水电解装置且耐久性优异的膜和复合膜、具备该膜的膜电极接合体以及水电解装置。

技术特征：

1.一种膜，其包含具有离子性基团的氟化合物，

2.如权利要求1所述的膜，其在碱水溶液中的电导为5s/cm2以上。

3.如权利要求1或2所述的膜，其膜厚为1μm～100μm。

4.如权利要求1～3中任一项所述的膜，其中，所述氟化合物的离子交换容量为1,200g/eq以下。

5.如权利要求1～4中任一项所述的膜，其中，所述氟化合物的离子交换容量为1,000g/eq以下。

6.如权利要求1～5中任一项所述的膜，其中，所述氟化合物包含下述式(1)所示的结构，

7.如权利要求6所述的膜，其中，所述l1为下述式(2)所示的基团，

8.如权利要求7所述的膜，其中，所述r2为碳原子数1～4的氟代亚烷基。

9.如权利要求1～8中任一项所述的膜，其中，所述离子性基团为磺酸基。

10.如权利要求1～9中任一项所述的膜，其为所述氟化合物被填充于多孔基材而成的。

11.如权利要求1～10中任一项所述的膜，其平均团簇尺寸为5nm以上。

12.一种复合膜，其在第1膜的至少一个面具备权利要求1～11中任一项所述的膜，

13.一种膜电极接合体，其具备：

14.如权利要求13所述的膜电极接合体，其中，所述阳极催化剂具有金属或金属合金的多孔体。

15.如权利要求13所述的膜电极接合体，其中，所述阳极催化剂具有镍泡沫。

16.如权利要求13所述的膜电极接合体，其中，所述阳极催化剂为在镍泡沫上依次具有包含niooh的氧化镍层和包含nife的层的催化剂，或者，

17.如权利要求13～16中任一项所述的膜电极接合体，其中，所述阴极催化剂具有金属或金属合金的多孔体。

18.如权利要求13～16中任一项所述的膜电极接合体，其中，所述阴极催化剂在所述多孔体上具有包含ru和金属磷化物的层。

19.一种水电解装置，其具备权利要求13～18中任一项所述的膜电极接合体。

技术总结本发明提供一种能够制造水电解性能高的水电解装置且耐久性优异的膜和复合膜、具备该膜的膜电极接合体以及水电解装置。一种膜，其包含具有离子性基团的氟化合物，具备OH<supgt;‑</supgt;离子传导性，电导率高于2×10<supgt;‑2</supgt;S/cm。技术研发人员：山口猛央,S·纳拉亚纳鲁,阿尼尔库马尔·G·M,R·伊拉斯瓦拉皮尔受保护的技术使用者：国立大学法人东京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/30