(57)【要約】【課題】十分な機械的強度を得ることができる多孔質体及び当該多孔質体を電極に用いた水酸化ナトリウムの製造装置を提供する。【解決手段】金属で形成された板状の多孔質体１０Ａにおいて、ガラスで平面状に形成された補強部１４を設けたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属で形成された板状の多孔質体において、
ガラスで平面状に形成された補強部を設けた
ことを特徴とする多孔質体。
【請求項２】
前記補強部は、前記多孔質体の一表面を覆うように形成されたことを特徴とする請求項１記載の多孔質体。
【請求項３】
前記補強部は、前記多孔質体の厚さ方向の間に形成されていることを特徴とする請求項１記載の多孔質体。
【請求項４】
導電性金属粒子を含む導電性粒子層が形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の多孔質体。
【請求項５】
上記請求項１〜４のいずれか１項記載の多孔質体を使用したことを特徴とする電気化学セルの電極。
【請求項６】
陽極室及び陰極室を有する複数のセルと、
前記セルに設けられた電極と
を備え、
前記電極が請求項１〜４のいずれか１項記載の多孔質体で形成されている
ことを特徴とする水酸化ナトリウムの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属で形成された多孔質体及び水酸化ナトリウムの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水酸化ナトリウムの製造装置の電極として、表面に溝加工を施すことにより、反応面積を増加させ、電極特性を向上した電極が開示されている（例えば、特許文献１）。同様に反応面積を増加させた電極として、基体に複数の切込みを形成し、切込みにおいて折り曲げ成形した電極が開示されている（例えば、特許文献２）。
【０００３】
反応面積を増加させた電極として、近時、鉄製のパンチングメタルや多数の孔を設けたスポンジ状の金属体などを用いた３次元網目構造の金属体（以下、多孔質体とよぶ）が提案されている。
【０００４】
多孔質体は、通常、空隙率が７０％以上である場合が多いが、空隙率を高めることで物理的透過性を高めることが可能となる。従って、多孔質体の空隙率を高めることは、微細な粒子をより多く充填できる点で好ましい。ところが、多孔質体は、空隙率を高め過ぎると、機械的強度の低下をもたらすとともに、孔の部分により多くの微細粒子を充填することで、重量も増加してしまう。その結果、空隙率を高めた多孔質体は、輸送や搬送する際に割れたり裂けたりするおそれが高まる。このような事情から、上述の多孔質体にあっては、空隙率を低下させることなく、機械的強度を向上させる手段の開発が各種検討されている。
【０００５】
多孔質体の強度を高める手段として、多孔質体の厚さ方向の端面に沿って略Ｕ時形状に接着テープを取り付けた構成が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００６】
また、これ以外の強度向上の手段として、多孔質体の一面に補強線材を縫い付けた構成も知られている（例えば、特許文献４参照）。
【０００７】
さらに、多孔質体の外周縁全体を樹脂で被覆した構成も知られている（例えば、特許文献５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３４０６３０号公報（第２頁［０００３］参照）
【特許文献２】特開２００７−８４９０７号公報（第３頁［００１２］及び図１参照）
【特許文献３】特開２００１−１７６５０６号公報（第４頁［００３２］及び図２参照）
【特許文献４】特開平４−３５１８５３号公報（第３頁［００１９］及び図１〜図３参照）
【特許文献５】特許第４８９４１３１号公報（第４頁［００２４］及び図１、図３、図７参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献３に記載の接着テープによる補強手段では、接着テープの分だけ厚みが増加してしまう。したがって、接着テープの厚さを薄くした場合、接着テープの幅や厚さが強度に比例するため、十分な機械的強度が得られないという問題がある。
【００１０】
また、特許文献４に記載の補強手段では、多孔質体に補強線材が通過する穴が形成されるため、当該穴の部分において強度が低下してしまうという懸念がある。
【００１１】
さらに、特許文献５に記載の補強手段では、樹脂が薬品によって劣化してしまう場合があり、十分な機械的強度が得られない懸念がある。
【００１２】
そこで本発明は、十分な機械的強度を得ることができる多孔質体及び当該多孔質体を電極に用いた水酸化ナトリウムの製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の観点は、金属で形成された板状の多孔質体において、ガラスで平面状に形成された補強部を設けたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第２の観点は、第１の観点に基づく発明であって、前記補強部は、前記多孔質体の一表面を覆うように形成されたことを特徴とする。
【００１５】
本発明の第３の観点は、第１の観点に基づく発明であって、前記補強部は、前記多孔質体の厚さ方向の間に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第４の観点は、第１〜第３のいずれかの観点に基づく発明であって、導電性金属粒子を含む導電性粒子層が形成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第５の観点は、第１〜第４のいずれかに係る多孔質体を使用した電気化学セルの電極であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第６の観点は、陽極室及び陰極室を有する複数のセルと、前記セルに設けられた電極とを備え、前記電極が第１〜第４のいずれかに係る多孔質体で形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の第１の観点の多孔質体では、一表面に平行ないずれの方向に対しても十分な機械的強度を得ることができる。
【００２０】
本発明の第２の観点の多孔質体では、補強部で多孔質体の一表面をシールすることができる。
【００２１】
本発明の第３の観点の多孔質体では、補強部で多孔質体の一表面と他表面との間をシールすることができる。
【００２２】
本発明の第４の観点の多孔質体では、導電性粒子層が形成されており、さらに補強部が多孔質体の一表面を覆うようにガラスで形成されていることにより、水溶液を収容する容器を兼ねる電極として使用することができる。
【００２３】
本発明の第５の観点の電気化学セル及び第６の観点の水酸化ナトリウムの製造装置は、電極が多孔質体で形成されていることにより、十分な機械的強度を得ることができる。また多孔質体が補強部でシールされているので、電解液を収容する容器を兼ねることができる。したがって電気化学セル及び水酸化ナトリウムの製造装置は、電極全体として小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係る多孔質体の全体構成を示す斜視図である。
【図２】第２実施形態に係る多孔質体の全体構成を示す斜視図である。
【図３】第２実施形態に係る多孔質体の製造方法を段階的に示す側面図であり、図３Ａは多孔質体の一表面にガラスフリットを塗布した段階、図３Ｂはさらに多孔質体を重ねる段階を示す図である。
【図４】第３実施形態に係る多孔質体の全体構成を示す斜視図である。
【図５】第３実施形態の変形例に係る多孔質体の全体構成を示す斜視図である。
【図６】第４実施形態に係る水酸化ナトリウムの製造装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２６】
１．第１実施形態
図１に示す多孔質体１０Ａは、三次元網目構造の板状の金属骨格１２と、当該金属骨格１２に設けられた補強部１４とを備える。多孔質体１０Ａは、７０％以上の空隙率を有する金属骨格１２が、好ましく用いられる。
【００２７】
金属骨格１２は、アルミニウム、銅、銀、金、白金、ニッケル、チタン、鉄、ステンレスなどで形成される。金属骨格１２は、金属骨と、無数に形成された孔とを有する。金属骨格１２は、所望の空隙率を得るために、孔径が種々選択される。無数の孔は、互いに繋がっている。
【００２８】
補強部１４は、ガラスで平面状に形成されている。本実施形態の場合、補強部１４は、金属骨格１２の一表面を覆うように形成されている。補強部１４は、ガラスを金属骨格１２の孔に浸透させて形成されている。
【００２９】
次に上記のように構成された多孔質体１０Ａの製造方法について説明する。まず、ガラスフリットを溶媒に分散させたガラスペーストを、金属骨格１２の一表面の全面にスクリーン印刷により塗布する。次いで、金属骨格１２を所定温度、例えば１００℃以下に加熱することにより、溶媒を蒸発させ、ガラスフリットを金属骨格１２上に固化する。その後、金属骨格１２をガラスの軟化点以上の温度に加熱する。そうすると、ガラスフリットが溶解し、金属骨格１２の一表面から孔を通り内部へ浸透する。所定時間経過後、金属骨格１２を冷却して室温に戻す。これにより、ガラスが金属骨格１２の一表面から内部へ浸透した状態で固化して、補強部１４が形成される。上記のようにして多孔質体１０Ａを製造することができる。金属骨格１２の一表面から内部へ浸透するガラスの深さは、ガラスの軟化点以上の温度に加熱する場合の温度、及び時間などで適宜選択することができる。
【００３０】
上記のように構成された多孔質体１０Ａは、ガラスで平面状に形成された補強部１４を一表面に設けたことにより、一表面に平行ないずれの方向に対しても十分な機械的強度を得ることができる。したがって多孔質体１０Ａは、例えば、金属骨格１２に微粒子を充填することにより重量が増加しても、搬送などの際に欠落や割れなどを防止できる。
【００３１】
本実施形態の場合、補強部１４は、金属骨格１２の一表面を覆うようにガラスで形成されていることにより、当該補強部１４で金属骨格１２の一表面をシールすることができる。
【００３２】
また、補強部１４は、ガラスを金属骨格１２の孔に浸透させて形成されている。これにより多孔質体１０Ａは、全体の厚さを増加させずに、機械的強度を向上することができる。補強部１４は、ガラスで形成されていることにより、薬品が接触しても劣化することがないので、十分な機械的強度を得ることができる。
【００３３】
２．第２実施形態
上記図１と同じ構成について同様の符号を付した図２を用いて、第２実施形態について説明する。本図に示す多孔質体１０Ｂは、２層金属骨格１６と、当該２層金属骨格１６の厚さ方向の略中央に設けられた補強部１４とを備える。２層金属骨格１６は、２つの金属骨格１２を重ねて形成されている。補強部１４は、金属骨格１２に挟まれている。
【００３４】
上記のように構成された多孔質体１０Ｂの製造方法について、図３を参照して説明する。まず、ガラスフリットを溶媒に分散させたガラスペースト１７を、金属骨格１２の一表面の全面にスクリーン印刷により塗布する（図３Ａ）。次いで、ガラスペースト１７を塗布した金属骨格１２の一表面に、別の金属骨格１２を重ねる（図３Ｂ）。ガラスペースト１７を間に挟んだ状態で金属骨格１２同士を押し付け、所定温度、例えば１００℃以下に加熱することにより、金属骨格１２の孔を通じて溶媒を蒸発させ、ガラスフリットを金属骨格１２同士の間で固化させる。その後、金属骨格１２をガラスの軟化点以上の温度に加熱する。そうすると、ガラスフリットが溶解し、金属骨格１２の表面から孔を通り内部へ浸透する。所定時間経過後、金属骨格１２を冷却して室温に戻す。これにより、ガラスが金属骨格１２のそれぞれの表面から内部へ浸透した状態で固化して、２層金属骨格１６の厚さ方向の略中央に補強部１４を備えた多孔質体１０Ｂ（図２）を製造することができる。
【００３５】
上記のように構成された多孔質体１０Ｂは、ガラスで平面状に形成された補強部１４が設けられているので、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３６】
また本実施形態の場合、補強部１４は、２層金属骨格１６の厚さ方向の略中央に設けられているので、２層金属骨格１６の一表面と他表面との間をシールすることができる。
【００３７】
本実施形態の場合、補強部１４は２層金属骨格１６の厚さ方向の略中央に設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、厚さの異なる金属骨格１２を組み合わせることにより、一表面側又は他表面側に偏った位置に設けることとしてもよい。
【００３８】
３．第３実施形態
上記図１と同じ構成について同様の符号を付した図４を用いて、第３実施形態について説明する。本図に示す多孔質体２０Ａは、金属骨格１２と、導電性粒子層２２と、金属骨格１２の一表面を覆うように形成された補強部１４とを備える。導電性粒子層２２は、導電性金属粒子を含み、金属骨格１２の一表面側に形成される。導電性金属粒子は、銅や、銀などで形成することができる。
【００３９】
上記のように構成された多孔質体２０Ａの製造方法について説明する。まず、導電性粒子を溶媒に分散させたペーストを、金属骨格１２の一表面の全面にスクリーン印刷により塗布する。塗布されたペーストは、金属骨格１２の孔を通り多孔質体２０Ａの内部へ浸透していく。さらにガラスフリットを溶媒に分散させたガラスペーストを金属骨格１２の一表面の全面にスクリーン印刷により塗布する。
【００４０】
次いで、金属骨格１２を所定温度、例えば１００℃以下に加熱することにより、溶媒を蒸発させ、導電性粒子及びガラスフリットを金属骨格１２上に固化する。その後、金属骨格１２をガラスの軟化点以上の温度に加熱する。そうすると、ガラスフリットが溶解し、金属骨格１２の表面から孔を通り内部へ浸透する。所定時間経過後、金属骨格１２を冷却して室温に戻す。これにより、ガラスが金属骨格１２の一表面から内部へ浸透した状態で固化して、補強部１４が形成される。上記のようにして多孔質体２０Ａを製造することができる。
【００４１】
上記のように構成された多孔質体２０Ａは、ガラスで平面状に形成された補強部１４が設けられているので、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
また本実施形態の場合、多孔質体２０Ａは、金属骨格１２内に導電性粒子層２２が形成されており、さらに補強部１４が金属骨格１２の一表面を覆うようにガラスで形成されている。これにより多孔質体２０Ａは、水溶液を収容する容器を兼ねる電極、例えば水酸化ナトリウムの生成反応用の電極として使用することができる。
【００４３】
本実施形態の場合、多孔質体２０Ａは、金属骨格１２の一表面側に導電性粒子層２２を形成し、さらに一表面に補強部１４を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らない。例えば、図５に示す変形例に係る多孔質体２０Ｂは、２層金属骨格１６と、当該２層金属骨格１６の厚さ方向の略中央に設けられた補強部１４と、補強部１４の両面側にそれぞれ設けられた導電性粒子層２２とを備える。この多孔質体２０Ｂは、上記第２実施形態と同様に製造することができる。本変形例に係る多孔質体２０Ｂは、金属骨格１２の両面側にそれぞれ導電性粒子層２２を備えると共に、２層金属骨格１６の一表面側と他表面側の間が補強部１４でシールされている。これにより多孔質体２０Ｂは、隣り合う反応室同士を仕切る隔壁を兼ねる電極、例えば水酸化ナトリウムの生成反応用の電極として使用することができる。
【００４４】
本変形例に係る多孔質体２０Ｂの場合、補強部１４は２層金属骨格１６の厚さ方向の略中央に設けた場合について説明したが、本発明はこれに限らず、厚さの異なる金属骨格１２を組み合わせることにより、一表面側又は他表面側に偏った位置に設けることとしてもよい。
【００４５】
４．第４実施形態
次に上記実施形態に係る多孔質体を用いた電気化学セルとしての水酸化ナトリウムの製造装置（以下、「製造装置」という。）２６について、図６を参照して説明する。本図に示す製造装置２６は、陽極室３６及び陰極室３８を有する複数のセルを備える。
【００４６】
本実施形態の場合、製造装置２６は、順に並べられた第１セル２８、第２セル３０、第３セル３２、第４セル３４を備える。各セルは、陽極室３６と、陰極室３８と、陽極室３６及び陰極室３８を仕切る陽イオン交換膜４０とを有する。陽極室３６には陽極４２、陰極室３８には陰極４１がそれぞれ設けられている。
【００４７】
陽極４２は、第１セル２８と第２セル３０の間、及び第３セル３２と第４セル３４の間に設けられている。陽極４２は、金属骨格１２がチタンで形成された多孔質体１０Ｂを備え、金属骨格１２の厚さ方向の略中央に補強部１４が設けられている。これにより第１セル２８と第２セル３０の間に設けられた陽極４２は、多孔質体１０Ｂの一表面が第１セル２８の陽極室３６内に配置され、他表面が第２セル３０の陽極室３６内に配置される。同様に第３セル３２と第４セル３４の間に設けられた陽極４２は、多孔質体１０Ｂの一表面が第３セル３２の陽極室３６内に配置され、他表面が第４セル３４の陽極室３６内に配置される。
【００４８】
陰極４１は、第１セル２８の陰極室３８、第２セル３０と第３セル３２の間、第４セル３４の陰極室３８に設けられている。陰極４１は、金属骨格１２がニッケルで形成され、導電性金属粒子として銀粒子で形成された導電性粒子層２２と、ガラスで形成された補強部１４とが設けられている。第１セル２８の陰極室３８及び第４セル３４の陰極室３８に設けられた陰極４１は、補強部１４が金属骨格１２の一表面に設けられた多孔質体２０Ａを備えており、補強部１４が設けられていない他表面が陰極室３８内に配置されている。第２セル３０と第３セル３２の間に設けられた陰極４１は、補強部１４が金属骨格１２の厚さ方向の略中央に設けられた多孔質体２０Ｂを備えている。これにより第２セル３０と第３セル３２の間に設けられた陰極４１は、多孔質体２０Ｂの一表面が第２セル３０の陰極室３８内に配置され、他表面が第３セル３２の陰極室３８内に配置される。
【００４９】
各セルの陽極室３６同士は、第１セル２８、第２セル３０、第３セル３２、第４セル３４の順に陽極管路４４で直列に接続されている。同様に各セルの陰極室３８同士は、第１セル２８、第２セル３０、第３セル３２、第４セル３４の順に陰極管路４６で直列に接続されている。陽極４２及び陰極４１は、それぞれ電源（図示しない）に電気的に接続されている。陽極４２及び陰極４１が多孔質体１０Ｂで形成されている場合、多孔質体１０Ｂは一表面側及び他表面側がそれぞれ電源に接続されるのが好ましい。
【００５０】
上記のように構成された製造装置２６において、第１セル２８の陰極室３８に水を、陽極室３６に食塩水を送り込む。各電極４１，４２に電圧を印加すると、陽極室３６では食塩水に含まれる塩化ナトリウムが塩化物イオンＣｌ−とナトリウムイオンＮａ＋に分解される。塩化物イオンＣｌ−は電子を奪われ、これにより、陽極室３６から塩素が発生する。一方、陰極室３８では電子が水と反応して水酸化物イオンＯＨ−が生成される。これにより陰極室３８から水素が発生する。
【００５１】
陽極室３６に存在するナトリウムイオンＮａ＋は、陽イオン交換膜４０を通過して陰極室３８へ移動する。これにより陰極室３８において、ナトリウムイオンＮａ＋と水酸化物イオンＯＨ−が結合し、水酸化ナトリウムＮａＯＨが生成される。このようにして第１セル２８で生成された電解液は、陽極管路４４、陰極管路４６を通って第２セル３０へ移送される。
【００５２】
第２セル３０においても同様に、陽極室３６において電気分解されたナトリウムイオンＮａ＋が陽イオン交換膜４０を通過して陰極室３８へ移動することにより、陰極室３８において水酸化物イオンＯＨ−と結合し、水酸化ナトリウムＮａＯＨが生成される。このようにして第２セル３０で生成された電解液は、第１セル２８で生成された電解液に比べ、水酸化ナトリウムＮａＯＨの濃度が高くなる。そして第２セル３０で生成された電解液は、陽極管路４４、陰極管路４６を通って第３セル３２、さらに第４セル３４へ順次移送される。
【００５３】
以上のように、製造装置２６は、上流のセルで得られた電解液を下流のセルでさらに電気分解し、電気分解を複数回繰り返すことにより、高濃度の水酸化ナトリウムＮａＯＨを製造することができる。
【００５４】
本実施形態の場合、電極４１，４２は、金属骨格１２の一表面、又は２層金属骨格１６一表面側と他表面側の間が補強部１４でシールされているので、電解液を収容する容器を兼ねることができる。したがって製造装置２６は、電極４１，４２を、２層金属骨格１６を有する多孔質体１０Ｂ，２０Ｂで形成することにより、全体として小型化することができる。
【００５５】
またセル同士の間に設けられた電極４１，４２は２層金属骨格１６を有する多孔質体１０Ｂ，２０Ｂで形成されていることにより、隣り合うセルの陽極４２又は陰極４１を兼ねることができる。
【００５６】
上記実施形態の場合、セルは４個である場合について説明したが、本発明はこれに限らず、２個、３個、又は５個以上としてもよい。
【００５７】
また陽極４２及び陰極４１の構成は本実施形態に例示した構成に限らず、適宜の材料で多孔質体を形成し、さらに所望の導電性金属粒子を多孔質体に充填して形成してもよい。
【００５８】
（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１０Ａ、１０Ｂ  多孔質体
１２  金属骨格
１４  補強部
２０Ａ、２０Ｂ  多孔質体
２２  導電性粒子層
２６  水酸化ナトリウムの製造装置
２８  第１セル（セル）
３０  第２セル（セル）
３２  第３セル（セル）
３４  第４セル（セル）
３６  陽極室
３８  陰極室
４１  陰極（電極）
４２  陽極（電極）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015120962.tif 000007
【図６】
2015120962.tif 000008