包含电极的层叠结构体的制作方法

本发明涉及包含电极的层叠结构体。

背景技术

为了构成电解用的电解槽、氧化还原液流电池等，使用将包含电极的单元层叠多个并通过溶液将单元间充满的层叠结构体。

在专利文献1中公开了溶液的电解用的装置。记载了将多个双极元件通过杆连结的层叠结构体。

在专利文献2中公开了将包含阳极和阴极的电池单体层叠多个的氧化还原液流电池。记载了将多个电池单体配置在两张端板之间并通过螺栓和螺母来保持层叠状态。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：美国专利第4758322号

专利文献2：国际公开第2018/092215号

专利文献3：日本特开平9-49096号公报

技术实现要素：

发明的概要

发明要解决的课题

如专利文献1、2所记载的那样，为了构成基于多个单元形成的层叠结构体，使用杆、螺栓和螺母那样的将单元彼此物理地压紧的构件(紧固用具)。层叠的多个单元并非通过粘接剂、焊接来接合，而是通过单元间的摩擦力来保持，因此在这样的保持机构中，始终承担着单元产生错动的危险性。另外，在专利文献3所示那样的通过层叠结构体构成三室电解槽的情况下，向构成的单元进一步加入中间室(中间腔室)，因此与由阴极室和阳极室构成的两室电解槽相比，构成单元的个数增加为约2倍。构成的单元个数的增加会提高单元的错动的可能性。另外，为了确保制造品的生产量提高、稳定的动作而需要将电极面积增大一定程度，该情况会增大单元的面积，使不得不保持的质量增加，因此对于单元的错动防止进一步造成不良影响。

本发明鉴于这样的问题点而提出，本发明要解决的课题在于，提供一种能够有效地防止单元的错动的包含电极的层叠结构体。

用于解决课题的方案

本发明为了解决上述课题而采用以下的方案。

即，本发明的层叠结构体是将包含扁平的单元在内的多个单元层叠并通过紧固用具进行紧固的包含电极的层叠结构体，其中，各单元形成为，在两面外周部具备框状的紧固部，通过将各紧固部的表面相互按压来进行层叠，且使一方的单元的紧固部的宽度与另一方的紧固部的宽度不同。

根据这样的结构，能够防止单元间的错动。

在本发明的一方案中，所述紧固部在其表面侧具备由弹性构件构成的衬垫。

根据这样的结构，能够通过适当的构件构成本发明。

在本发明的一方案中，在层叠的所述单元之间设有隔膜，所述隔膜夹在各所述单元的紧固部间。

在本发明的一方案中，多个所述单元包括双极元件和中间腔室。

在本发明的一方案中，多个所述单元以将双极元件、中间腔室及双极元件顺次层叠构成的一组单元层叠体为一个单位而层叠有多组。

在本发明的一方案中，多个所述单元为双极元件。

在本发明的一方案中，多个所述单元包括阴极单元和阳极单元。

根据上述那样的方案的结构，能够适当地实施本发明。

发明效果

根据本发明，能够提供一种能够有效地防止单元的错动的包含电极的层叠结构体。

附图说明

图1是具备本发明的实施方式的包含电极的层叠结构体的电解槽的立体图。

图2是用于说明本发明的实施方式的层叠结构体的单元间的位置关系的示意图。

图3是表示本发明的实施方式的单元层叠体的位置关系及结构的简要立体图。

图4是本发明的实施方式的单元层叠体的纵向剖视图。

图5是本发明的实施方式的紧固部的放大图。

图6是现有技术的紧固部的放大图。

图7是表示本发明的实施方式的单元层叠体的位置关系及结构的简要立体图。

图8是本发明的实施方式的单元层叠体的纵向剖视图。

图9是表示本发明的实施方式的单元层叠体的位置关系及结构的简要立体图。

图10是本发明的实施方式的单元层叠体的纵向剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。

(第一实施方式)

以下示出本发明的实施方式的一例。图1是具备本发明的实施方式的包含电极的层叠结构体的电解槽1的立体图。电解槽1具备包含电极的层叠结构体2、中间腔室供给歧管3、中间腔室排出歧管4、阴极室供给歧管5、阴极室排出歧管6、阳极室供给歧管7、以及阳极室排出歧管8。

层叠结构体2具备紧固用具25、一对终端支承框架26、终端阴极元件21、终端阳极元件22、配置在它们之间的图1中仅图示两个的多个双极元件23(具备电极的扁平的单元)和图1中未图示的多个中间腔室。在一对终端支承框架26之间配置有终端阴极元件21、终端阳极元件22。紧固用具25由杆251和螺母252构成。

在终端支承框架26上设有用于对紧固用具25的杆251进行支承的支承构件261，使杆251通过形成于支承构件261的孔，并从杆251的两端螺合螺母252，成为将配置在一对终端支承框架26之间的终端阴极元件21、终端阳极元件22、多个双极元件23及多个中间腔室从两端紧固的结构，它们整体构成层叠结构体2。

图2是用于说明层叠结构体2的终端阴极元件21、终端阳极元件22、配置在它们之间的双极元件23和中间腔室24的位置关系的示意图。层叠结构体2以将双极元件23、中间腔室24及双极元件23顺次层叠构成的一组单元层叠体20为一个单位而层叠有多组。另外，层叠结构体2为了将层叠方向的终端部的结构不矛盾地构成为电解槽1，在终端阴极元件21与终端阳极元件22的层叠方向的内侧分别配置有中间腔室24。

图3是表示上述的双极元件23、中间腔室24及双极元件23这一组的单元层叠体20的位置关系及各自的结构的立体图。图4是将该单元层叠体20层叠时的纵向剖视图。

双极元件23由双极元件主体231、阳极232及阴极233构成。双极元件主体231在其表背面形成有凹处234a、234b，这些凹处234a、234b的周缘部成为框状的凸部235a、235b。在凹处234a内设有阳极232，在凹处234b内设有阴极233。

在凸部235a、235b的表面分别粘贴有由弹性构件构成的衬垫236a、236b。凸部235a、235b和衬垫236a、236b构成紧固部237a、237b。

中间腔室24由中间腔室主体241和在该中间腔室主体241的表背面粘贴的衬垫246a、246b构成。中间腔室主体241和衬垫246a、246b构成紧固部247a、247b。中间腔室主体241形成为框状，其中心部分成为空间。

使中间腔室24位于中心，在其表背面的两侧配置隔膜201、202，进而在这些隔膜201、202的外侧配置所述双极元件23、23，并将上述各部相互接合，由此构成一组单元层叠体20。

在本实施方式中，隔膜201是阳离子交换膜，隔膜202是阴离子交换膜。

在上述的结构中，隔膜201与图4的左侧的双极元件23的阴极233之间的空间构成阴极室27，隔膜201与隔膜202之间的空间包含中间腔室主体241的中心部分的空间而构成中间室28，隔膜202与图4的右侧的双极元件的阳极232之间的空间构成阳极室29。

中间腔室24的紧固部247a、247b的宽度A形成得比双极元件的紧固部237a、237b的宽度B宽(与宽度B不同)。

在上述那样构成的电解槽1中，在以硫酸钠(Na2SO4)为原料进行电解的情况下，经由阴极室供给歧管5向多个阴极室27供给氢氧化钠溶液(NaOH)。经由中间腔室供给歧管3向多个中间室28供给硫酸钠溶液(Na2SO4)，经由阳极室供给歧管7向多个阳极室29供给硫酸溶液(H2SO4)。

在被供给了各自的药液的状态下，当电解槽1起动时，向阳极232施加正的电压，向阴极233施加负的电压。通过该电压的施加，阳极232进行阳极化，阴极233进行阴极化。在阳极232表面，水(H2O)被氧化而生成阳离子的H⁺和氧(O2)，在阴极233表面，水(H2O)被还原而生成阴离子的OH^-和氢(H2)。

当成为该状态时，为了保持电中性，硫酸离子SO4^2-通过阴离子交换膜202从中间室28向阳极室29移动，钠离子Na⁺通过阳离子交换膜201从中间室28向阴极室27移动。

经过上述的生成过程，在阳极室29生成氧气(O2)和硫酸(H2SO4)，生成的氧气(O2)和硫酸(H2SO4)经由阳极室排出歧管8作为产品被回收。在阴极室27生成氢气(H2)和氢氧化钠(NaOH)，生成的氢气(H2)和氢氧化钠(NaOH)经由阴极室排出歧管6作为产品被回收。

作为原料供给的中间室28的硫酸钠溶液(Na2SO4)为了再循环而经由中间腔室排出歧管4被回收。

上述生成过程中，向阴极室27供给氢氧化钠溶液(NaOH)，但是经过上述生成过程，在阴极室27得到比供给时的浓度浓的氢氧化钠溶液(NaOH)。将该氢氧化钠溶液(NaOH)的一部分作为产品而进行回收，向剩余的溶液添加纯水(H2O)，将进行浓度调节后的氢氧化钠溶液(NaOH)向阴极室27再次供给，并重复上述的生成过程。

接下来，说明上述的电解槽1具备的层叠结构体2的作用、效果。

图5是图4中虚线的圆C所示的部分，示出双极元件23的紧固部237b和中间腔室24的紧固部247a的放大图。图6是现有技术的相当于图5的部分，示出双极元件23的紧固部237b和中间腔室240的紧固部247的放大图。

在此，图4所示的隔膜201、202的厚度与双极元件23、中间腔室24的厚度相比很薄，因此在将双极元件23和中间腔室24的衬垫236a、236b、246a、246b彼此按压时，隔膜201、202追随于衬垫236a、236b、246a、246b的形状而变形。因此，为了便于理解说明，在图5、图6中，省略图4的隔膜201、202而进行记载。

在此，如现有技术的图6所示，双极元件23的紧固部237b的宽度B与中间腔室240的紧固部247的宽度B相同。在该结构中，使宽度彼此相同的衬垫236b、240a抵接，因此在向衬垫236b、240a施加的力不均等的情况下，上述衬垫236b、240a彼此的位置产生错动，存在无法将各单元适当地紧固这样的问题。

对这一点进行详细说明时，衬垫236b和衬垫240a由弹性构件形成，因此当产生微小的错动时，衬垫如箭头u和箭头v及箭头x和箭头y那样，在其端部相当于作用和反作用的力相互起作用。当将这些力分解成图6纸面上下方向(产生错动的方向)的分量时，可知分别向箭头u1、v1、x1、y1那样的朝向产生力。此时，对双极元件23起作用的力u1和x1为同一方向，作为u1+x1而作用于双极元件23。对中间腔室240起作用的力v1和y1为朝向与对双极元件23起作用的力相反的同一方向，作为v1+y1而作用于中间腔室240。因此，通过力u1+x1和力v1+y1的力的作用，双极元件23向纸面的上方移动的力增加，中间腔室240向纸面的下方移动的力增加，错动变得不断扩大。

另一方面，在图5中，中间腔室24的紧固部247a的宽度A比双极元件23的紧固部237b的宽度B形成得宽。此时起作用的相当于作用和反作用的力由箭头p、q、s、t表示，作为错动方向的分量，分解而表示为p1、q1、s1、t1。作用于双极元件23的紧固部237b的力p1和s1的朝向相反，因此相抵。作用于中间腔室24的紧固部247a的力q1和t1的朝向也相反，因此相抵。其结果是，错动方向的力不会产生。即使由于某些契机而产生了微小的错动，只要紧固部237b停留在紧固部247a的宽度A之中，与上述相同的力就会起作用，因此不会产生错动方向的力。

如以上所述，在本实施方式中，将中间腔室24的紧固部247a、247b的宽度比双极元件23的紧固部237a、237b的宽度形成得宽，因此错动方向的力相抵而不会产生。另外，即使对于微小的错动，只要中间腔室24的紧固部247a停留在双极元件23的紧固部237b的宽度B内，就不会产生错动方向的力。因此，能够提供一种能够有效地防止单元(双极元件23、中间腔室24)的错动的包含电极的层叠结构体2。

(第二实施方式)

图7是本发明的第二实施方式的单元层叠体30的立体图。图8是本实施方式的单元层叠体30的剖视图。关于本实施方式，对与第一实施方式不同的点进行说明，关于相同的结构的部件，采用相同符号并省略其说明。

本实施方式的单元层叠体30具备与第一实施方式相同的结构的双极元件23、以及紧固部337a、337b的宽度与双极元件23的紧固部237a、237b的宽度不同且其他具有同样的结构的双极元件33，通过双极元件23、双极元件33及双极元件23这一组构成单元层叠体30。

双极元件33由双极元件主体331、阳极332及阴极333构成。双极元件主体331在其表背面形成有凹处334a、334b，这些凹处334a、334b的周缘部成为框状的凸部335a、335b。在凹处334a内设有阳极332，在凹处334b内设有阴极333。

在凸部335a、335b的表面粘贴有分别由弹性构件构成的衬垫336a、336b。凸部335a、335b和衬垫336a、336b构成紧固部337a、337b。

双极元件33的紧固部337a、337b的宽度A比双极元件23的紧固部237a、237b的宽度B形成得宽。

在双极元件23与双极元件33之间具备隔膜300，在本实施方式中，隔膜300为阳离子交换膜。

图8的左侧的双极元件23的阴极233与隔膜300之间的空间构成阴极室27，隔膜300与双极元件33的阳极332之间的空间构成阳极室29。

在本实施方式中，向阴极室27供给氢氧化钠溶液(NaOH)，向阳极室29供给硫酸钠(Na2SO4)溶液。在供给了药液的状态下向阳极施加正的电压并向阴极施加负的电压时，阳极332进行阳极化，阴极233进行阴极化。在阳极332表面，水(H2O)被氧化而生成阳离子的H⁺和氧(O2)，在阴极233表面，水(H2O)被还原而生成阴离子的OH^–和氢(H2)。

当成为该状态时，为了保持电中性，阳极室29的阳离子Na⁺通过阳离子交换膜(隔膜)300向阴极室27移动，在阳极室29中生成氧气(O2)和硫酸(H2SO4)，原料的剩余的硫酸钠(Na2SO4)与上述生成物处于混合状态，在阴极室27中，生成氢氧化钠(NaOH)和氢气(H2)。各个生成物经由未图示的排出歧管被回收。

在本实施方式中，双极元件33的紧固部337a、337b的宽度A比双极元件23的紧固部237a、237b的宽度B形成得宽，因此能得到与第一实施方式同样的作用效果。

(第三实施方式)

图9是本发明的第三实施方式的单元层叠体40的立体图。图10是本实施方式的单元层叠体40的剖视图。关于本实施方式，对与第一实施方式不同的点进行说明，关于相同的结构的部件，采用相同符号并省略其说明。

本实施方式的单元层叠体40具备阳极单元41和阴极单元42，通过阳极单元41、阴极单元42及阳极单元41这一组构成单元层叠体40。

阳极单元41由框状的阳极单元主体411和阳极412构成。阳极单元主体411在其内部嵌入有阳极412。

在阳极单元主体411的表面粘贴有分别由弹性构件构成的衬垫416a、416b。阳极单元主体411和衬垫416a、416b构成紧固部417a、417b。

阴极单元42由框状的阴极单元主体421和阴极422构成。阴极单元主体421在其内部嵌入有阴极422。

在阴极单元主体421的表面粘贴有分别由弹性构件构成的衬垫426a、426b。阴极单元主体421和衬垫426a、426b构成紧固部427a、427b。

阴极单元42的紧固部427a、427b的宽度A比阴极单元42的紧固部417a、417b的宽度B形成得宽。

在阳极单元41与阴极单元42之间具备隔膜400，在本实施方式中，隔膜400为阳离子交换膜。

阴极单元42的阴极422与隔膜400之间的空间构成阴极室27，隔膜400与阳极单元41的阳极412之间的空间构成阳极室29。

阴极室27和阳极室29中的基于电解的电解槽的动作与第二实施方式相同，因此这里省略说明。

在本实施方式中，阴极单元42的紧固部427a、427b的宽度A比阳极单元41的紧固部417a、417b的宽度B形成得宽，因此能得到与第一实施方式同样的作用效果。

在上述的实施方式中，说明了在电解槽中生成氢氧化钠(NaOH)的情况，但是没有限定于此。例如，也可以是，在第一实施方式的情况下，向中间室28供给硫酸锂(Li2SO4)，在第二、第三实施方式的情况下，向阳极室27供给硫酸锂(Li2SO4)，向阴极室27供给氢氧化锂(LiOH)，通过电解在阴极室27生成氢氧化锂(LiOH)和氢(H2)。即，无论生成物如何，具有本发明的层叠结构体的任意的电解槽都包含于本发明。另外，没有限定为电解槽，只要具有本发明的层叠结构体即可，例如，电池、电透析等也包含于本发明。

另外，上述的实施方式中的紧固部的宽度的差异没有限定为上述的实施方式中的记载。紧固部的宽度只要层叠的一方的单元的紧固部的宽度与另一方不同即可。例如，在第一实施方式中，双极元件33的紧固部的宽度也可以比中间腔室的宽度宽。在第三实施方式中，阳极单元41的紧固部的宽度也可以比阴极单元42的紧固部的宽度宽。

符号说明

2 层叠结构体

20、30、40 单元层叠体

23、33 双极元件(单元)

232、332、412 阳极

233、333、422 阴极

236a、236b、336a、336b 双极元件的衬垫

237a、237b、337a、337b 双极元件的紧固部

24、240 中间腔室(单元)

247a、247b、247 中间腔室的紧固部

25 紧固用具

41 阳极单元(单元)

416a、416b 阳极单元的衬垫

417a、417b 阳极单元的紧固部

42 阴极单元(单元)

426a、426b 阳极单元的衬垫

427a、427b 阳极单元的紧固部

201、202、300、400 隔膜