(57)【要約】【課題】特に低抵抗化された隔膜による機能を好適に発揮させることができ、電解効率、充放電効率を向上でき、更に自由度高く設置可能なセルスタック集合型電解槽及びセルスタック集合型電池を提供すること。【解決手段】電解セルに電解液を流通させる電解液流通型のセルスタックを複数有することを特徴とするセルスタック集合型電解槽、及び、電池セルに活物質液を流通させる活物質液流通型のセルスタックを複数有することを特徴とするセルスタック集合型電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解セルに電解液を流通させる電解液流通型のセルスタックを複数有することを特徴とするセルスタック集合型電解槽。
【請求項２】
前記複数のセルスタックを、１又は２以上の枠体構造上に有することを特徴とする請求項１記載のセルスタック集合型電解槽。
【請求項３】
各々の前記セルスタックへの前記電解液の送液を、全体的あるいは部分的に、並列及び又は直列に行うように構成されたことを特徴とする請求項１又は２記載のセルスタック集合型電解槽。
【請求項４】
前記前記セルスタックは、陽極と陰極との間に、膜厚が５０μｍ以下であり、且つイオン交換容量が０．５（ｍｅｑ／ｇ−乾燥イオン交換膜）以上である隔膜を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のセルスタック集合型電解槽。
【請求項５】
電池セルに活物質液を流通させる活物質液流通型のセルスタックを複数有することを特徴とするセルスタック集合型電池。
【請求項６】
前記複数のセルスタックを、１又は２以上の枠体構造上に有することを特徴とする請求項５記載のセルスタック集合型電池。
【請求項７】
各々の前記セルスタックへの前記活物質液の送液を、全体的あるいは部分的に、並列及び又は直列に行うように構成されたことを特徴とする請求項５又は６記載のセルスタック集合型電池。
【請求項８】
前記活物質液は、活物質濃度が２．５Ｍ以上であることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載のセルスタック集合型電池。
【請求項９】
前記セルスタックは、正極と負極との間に、膜厚が５０μｍ以下であり、且つイオン交換容量が０．５（ｍｅｑ／ｇ−乾燥イオン交換膜）以上である隔膜を有することを特徴とする請求項５〜８の何れかに記載のセルスタック集合型電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルスタック集合型電解槽及びセルスタック集合型電池に関し、より詳しくは、特に低抵抗化された隔膜による機能を好適に発揮させることができ、電解効率、充放電効率を向上でき、更に自由度高く設置可能なセルスタック集合型電解槽及びセルスタック集合型電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一対の電極により構成されたセル単位を複数積層したセルスタック構造を有する電解槽や電池が用いられている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−０８０６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかるに、電解槽における電解効率や、電池における充放電効率には、更にある改善の余地がある。
【０００５】
本発明者は、電解槽における電解効率や、電池における充放電効率の改善について検討し、電極間を隔てる隔膜（イオン交換膜）の低抵抗化を図ることを試みた。隔膜の低抵抗化は、隔膜の膜厚を薄くすることや、隔膜のイオン交換量を増大させることにより達成できることがわかった。しかし、低抵抗化の達成に伴い、隔膜の引張強度が低下し、破れ易いものになるという新たな課題が見出された。
【０００６】
本発明者は更に鋭意検討し、一つの電解槽又は一つの電池を構成するセルスタックを、複数に分割して同一枠体構造上に保持することによって、各々のセルスタックに用いる隔膜の面積を比較的小さくする場合においても、優れた電解効率、充放電効率を発揮できることを見出した。
【０００７】
即ち、隔膜の面積を比較的小さくすることで隔膜にかかる負荷を軽減できるため、低抵抗化された隔膜を安定に保持できるようになる。これにより、低抵抗化された隔膜による機能を好適に発揮させて、電解効率に優れる効果が得られる。また、分割された各セルスタックの配置を自在に設定できるため、設置スペースに合わせて電解槽又は電池を自由度高く設置できるようになる。
【０００８】
そこで本発明の課題は、特に低抵抗化された隔膜による機能を好適に発揮させることができ、電解効率、充放電効率を向上でき、更に自由度高く設置可能なセルスタック集合型電解槽及びセルスタック集合型電池を提供することにある。
【０００９】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【００１１】
（請求項１）
電解セルに電解液を流通させる電解液流通型のセルスタックを複数有することを特徴とするセルスタック集合型電解槽。
（請求項２）
前記複数のセルスタックを、１又は２以上の枠体構造上に有することを特徴とする請求項１記載のセルスタック集合型電解槽。
（請求項３）
各々の前記セルスタックへの前記電解液の送液を、全体的あるいは部分的に、並列及び又は直列に行うように構成されたことを特徴とする請求項１又は２記載のセルスタック集合型電解槽。
（請求項４）
前記前記セルスタックは、陽極と陰極との間に、膜厚が５０μｍ以下であり、且つイオン交換容量が０．５（ｍｅｑ／ｇ−乾燥イオン交換膜）以上である隔膜を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のセルスタック集合型電解槽。
（請求項５）
電池セルに活物質液を流通させる活物質液流通型のセルスタックを複数有することを特徴とするセルスタック集合型電池。
（請求項６）
前記複数のセルスタックを、１又は２以上の枠体構造上に有することを特徴とする請求項５記載のセルスタック集合型電池。
（請求項７）
各々の前記セルスタックへの前記活物質液の送液を、全体的あるいは部分的に、並列及び又は直列に行うように構成されたことを特徴とする請求項５又は６記載のセルスタック集合型電池。
（請求項８）
前記活物質液は、活物質濃度が２．５Ｍ以上であることを特徴とする請求項５〜７の何れかに記載のセルスタック集合型電池。
（請求項９）
前記セルスタックは、正極と負極との間に、膜厚が５０μｍ以下であり、且つイオン交換容量が０．５（ｍｅｑ／ｇ−乾燥イオン交換膜）以上である隔膜を有することを特徴とする請求項５〜８の何れかに記載のセルスタック集合型電池。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、特に低抵抗化された隔膜による機能を好適に発揮させることができ、電解効率、充放電効率を向上でき、更に自由度高く設置可能なセルスタック集合型電解槽及びセルスタック集合型電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明のセルスタック集合型電解槽について概念的に説明する図
【図２】各セルスタック間の送液を概念的に説明する図
【図３】flow by方式のスタック構造の一例を示す展開図
【図４】flow through方式のスタック構造の一例を説明する展開図
【図５】flow through方式における液流を説明する一部切り欠き斜視図
【図６】スペーサーの他の例について説明する図
【図７】往復方式のスタック構造の一例を説明する展開断面図
【図８】スペーサー及びバイポーラプレートを説明する図
【図９】往復方式における液流を説明する断面図である
【図１０】セルスタックの固定方式の一例を説明する図
【図１１】セルスタックの固定方式の他の例を説明する展開図
【図１２】セルスタックの固定方式の更なる他の例を説明する展開図
【図１３】セルスタック集合型電解槽の使用例を説明する図
【図１４】セルスタック集合型電池の使用例を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明のセルスタック集合型電解槽は、電解セルに電解液を流通させる電解液流通型のセルスタックを複数有することを一つの特徴とする。
【００１５】
これにより、本発明のセルスタック集合型電解槽は、陽極及び陰極を隔てる隔膜の面積を比較的小さくすることで隔膜にかかる負荷を軽減できるため、低抵抗化された隔膜を安定に保持できるようになる。そのため、低抵抗化された隔膜による機能を好適に発揮させて、電解効率に優れる効果が得られる。また、複数のセルスタックの配置を自在に設定できるため、設置スペースに合わせて電解槽を自由度高くに配置できる効果も得られる。
【００１６】
更に、本発明のセルスタック集合型電解槽によれば、電解の負荷に応じて、使用するセルスタック数を選択できるため、ポンプ動力、マニホールド漏洩電流が低減し、電解の所要電力を低減できる効果も得られる。
【００１７】
また、本発明のセルスタック集合型電池は、電池セルに活物質液を流通させる活物質液流通型のセルスタックを、同一枠体構造上に複数有することを一つの特徴とする。
【００１８】
これにより、本発明のセルスタック集合型電池は、正極及び負極を隔てる隔膜の面積を比較的小さくすることで隔膜にかかる負荷を軽減できるため、低抵抗化された隔膜を安定に保持できるようになる。そのため、低抵抗化された隔膜による機能を好適に発揮させて、充放電効率に優れる効果が得られる。また、複数のセルスタックの配置を自在に設定できるため、設置スペースに合わせて電池を自由度高くに配置できる効果も得られる。
【００１９】
更に、本発明のセルスタック集合型電池は、例えば発電装置（太陽電池など）の出力変動に応じて、電気的に直列に接続するセルスタック数を調整し、受電効率（充電効率）を向上させることができる。放電に際しては、複数セル（全セル）を直列に接続して電圧を高めることができる。即ち、自然エネルギーを利用する発電装置が抱える出力変動の問題に好適に対応し、発電装置からの電気エネルギーを効率的に蓄えると共に、実用的な高電圧として安定に出力できる効果が得られる。
【００２０】
以下に、図面を参照して本発明を実施するための形態について詳しく説明する。まず、本発明のセルスタック集合型電解槽について説明し、次いで、本発明のセルスタック集合型電池について説明する。
【００２１】
図１は、本発明のセルスタック集合型電解槽について概念的に説明する図である。
【００２２】
セルスタック集合型電解槽（以下、単に電解槽ともいう）１は、図示するように、同一枠体構造２上に、電解液流通型のセルスタック３を複数固定してなることが好ましい。ここでは、詳細な枠体構造２の構造及び該枠体構造２へのセルスタック３の固定手段について図示していないが、一例として、枠体構造２はアングル等の鋼材又は樹脂等により構成することができる。例えば、アングルにより構成された枠体構造２に取付けたレール上にセルスタック３を固定して、該枠体構造２からセルスタック３をレールにより引き出し可能に構成することも好ましいことである。この例に限定されず、例えば枠体構造２にセルスタック３を直接ボルト固定してもよい。ここでは、複数のセルスタック３を、１つの枠体構造２上に有する場合について示しているが、これに限定されず、複数のセルスタック３を、２以上の枠体構造上に有してもよい。
【００２３】
これら複数のセルスタック３によって、一つの電解槽１としての機能を発揮できるように構成している。ここでは、４つのセルスタック３によって電解槽１を構成しているが、電解槽１を構成するセルスタック３の数は複数であればよい。
【００２４】
各々のセルスタック３は、陽極及び陰極からなるセル単位を複数積層して構成されている。各セルスタック３におけるセル単位の積層数は、複数であればよい。
【００２５】
ここでは、各々のセルスタック３は、積層方向の一側に、電解に供される陽極液が流入する陽極液流入口４と、電解に供される陰極液が流入する陰極液流入口５とを備えている。また、各々のセルスタック３は、積層方向の他側に、電解後の陽極液が流出する陽極液流出口（図示しない）と、電解後の陰極液が流出する陰極液流出口（図示しない）とを備えている。
【００２６】
陽極液及び陰極液の何れか一方又は両方は、電極による電解の対象となる被電解物質を含有することができる。被電解物質は格別限定されず、用途に合わせて適宜選択することができる。なお、以下の説明では、陽極液、陰極液について、電解液という場合がある。
【００２７】
図示しないポンプによって図示しない配管を介して送液される陽極液は、陽極液流入口４からセルスタック３内に流入し、各セル単位が備える陽極によって被電解物質が電解（酸化）された後、陽極液流出口を介してセルスタック３内から流出される。同様に、図示しないポンプによって図示しない配管を介して送液される陰極液は、陰極液流入口５からセルスタック３内に流入し、各セル単位が備える陰極によって被電解物質が電解（還元）された後、陰極液流出口を介してセルスタック３内から流出される。
【００２８】
電解槽１は、各セルスタック３への電解液の送液を、全体的あるいは部分的に、並列及び又は直列に行うように構成されていることが好ましい。これについて、図２を参照して説明する。
【００２９】
図２は電解槽１における電解液の流れを概念的に説明する図であり、電解液の流れを矢印で示している。
【００３０】
図２（ａ）の例において、電解槽１は、複数のセルスタック３ａ〜３ｄへの陽極液及び陰極液の送液を、全体的に並列に行うように構成されている。
【００３１】
複数のセルスタック３ａ〜３ｄへの陽極液及び陰極液の送液を並列に行う場合は、一部のセルスタックへの送液を停止する場合においても、他の一部のセルスタックへの送液を容易に継続することができる。
【００３２】
必要に応じて一部のセルスタックへの送液を停止することにより、ポンプ動力の低減や、漏洩電流の低減を図ることができる。
【００３３】
一方、図２（ｂ）の例において、電解槽１は、複数のセルスタック３ａ〜３ｄへの陽極液及び陰極液の送液を、全体的に直列に行うように構成されている。
【００３４】
また、図２（ｃ）の例において、電解槽１は、複数のうち一部のセルスタック３ａ、３ｂへの電解液の送液を直列に行い、複数のうち他の一部のセルスタック３ｃ、３ｄへの電解液の送液を、上記セルスタック３ａ、３ｂとは独立して直列に行うように構成されている。従って、セルスタック３ａ、３ｂの群と、セルスタック３ｃ、３ｄの群とに対しては、送液を並列に行うように構成されている。このように、並列及び直列が組み合わされた送液を行うこともできる。
【００３５】
電解槽１は、各セルスタック３ａ〜３ｄへの電解液の送液を、全体的あるいは部分的に、並列及び又は直列に切り替え可能に構成されることも好ましいことである。
【００３６】
各セルスタック間の電気的な接続は、全体的あるいは部分的に、並列及び又は直列とすることができる。また、一部のセルスタックのみを、電気的に接続された回路から除外するように、電気的な接続を切り替え可能に構成することも好ましいことである。これにより、並列及び又は直列に電気的に接続されるセルの数を、セルスタック単位で容易に変更することができる。
【００３７】
次に、セルスタックのスタック構造について説明する。
【００３８】
セルスタックのスタック構造は、複数のセル単位を積層した構造であれば格別限定されない。スタック構造は、例えば、電極に対する電解液の流通方式に基づいて、flow by方式、flow through方式、往復方式等に分類することができるが、これら何れの方式も好適に用いることができる。以下に、これらの方式についてスタック構造の具体例を挙げて、本発明について更に詳しく説明する。
【００３９】
まず、図３を参照して、電解液が電極面方向に沿って電極を流通するflow by方式のスタック構造について説明する。
【００４０】
図３は、flow by方式のスタック構造の一例を示す展開図である。
【００４１】
図３に示すスタック構造は、バイポーラプレート６、陽極用スペーサー７、隔膜８、陰極用スペーサー９からなるセル単位を複数積層して構成されている。
【００４２】
陽極用スペーサー７は、陽極１０が設置される間隙を形成し、陰極用スペーサー９は、陰極１１が設置される間隙を形成している。これらスペーサー７、９の材質は格別限定されず、自体公知のものを用いることができる。
【００４３】
バイポーラプレート６、陽極用スペーサー７、隔膜８、陰極用スペーサー９の各々に設けられた貫通孔６ａ、７ａ、８ａ、９ａは、陽極１０に供される陽極液を送液するための陽極液流入マニホールドＡを構成している。
【００４４】
また、バイポーラプレート６、陽極用スペーサー７、隔膜８、陰極用スペーサー９の各々に設けられた貫通孔６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂは、陽極１０を流通した後の陽極液を送液するための陽極液流出マニホールドＢを構成している。
【００４５】
陽極液流入マニホールドＡは、図１を参照して説明した陽極液流入口に接続され、陽極液流出マニホールドＢは、陽極液流出口に接続されている。
【００４６】
陽極用スペーサー７に設けられた貫通孔７ａと貫通孔７ｂとは互いに液的に連通しており、貫通孔７ａから貫通孔７ｂに向かう陽極液の流路に陽極１０が設けられている。
【００４７】
陽極液流入マニホールドＡから流入する陽極液は、陽極用スペーサー７の貫通孔７ａから貫通孔７ｂに向かう流路において、陽極１０を電極面方向に沿って流通した後、陽極液流出マニホールドＢに流出する。
【００４８】
一方、バイポーラプレート６、陽極用スペーサー７、隔膜８、陰極用スペーサー９の各々に設けられた貫通孔６ｃ、７ｃ、８ｃ、９ｃは、陰極１１に供される陰極液を送液するための陰極液流入マニホールドＣを構成している。
【００４９】
また、バイポーラプレート６、陽極用スペーサー７、隔膜８、陰極用スペーサー９の各々に設けられた貫通孔６ｄ、７ｄ、８ｄ、９ｄは、陰極１１を流通した後の陰極液を送液するための陰極液流出マニホールドＤを構成している。
【００５０】
陰極液流入マニホールドＣは、図１を参照して説明した陰極液流入口に接続され、陰極液流出マニホールドＤは、陰極液流出口に接続されている。
【００５１】
陰極用スペーサー９に設けられた貫通孔９ｃと貫通孔９ｄとは互いに液的に連通しており、貫通孔９ｃから貫通孔９ｄに向かう陰極液の流路に陰極１１が設けられている。
【００５２】
陰極液流入マニホールドＣから流入する陰極液は、陰極用スペーサー９の貫通孔９ｃから貫通孔９ｄに向かう流路において、陰極１１を電極面方向に沿って流通した後、陰極液流出マニホールドＤに流出する。
【００５３】
このようにして、flow by方式のスタック構造を構成することができる。
【００５４】
陽極１０及び陰極１１としては、これらの内部を電解液が流通可能な電解液流通型電極を好ましく用いることができる。具体例として、例えば炭素繊維フェルト等が挙げられる。
【００５５】
炭素繊維フェルトとしては、通常の炭素繊維フェルト（炭素繊維の繊維径は、PAN系、セルロース系、ピッチ系の何れも８〜１２μｍ程度）をそのまま用いることもできるが、酸化エッチング処理等によって繊維径を５μｍ以下にした炭素繊維を含有する炭素繊維フェルトを特に好ましく用いることができる。
【００５６】
例えば、カーボンクロスを酸化エッチング処理して、繊維径を部分的に５μｍ以下にしたものを好適に用いることができる。
【００５７】
陽極１０及び陰極１１の形状としては、シート状のものを好ましく用いることができる。
【００５８】
陽極１０と陰極１１との間に介在させる隔膜８は、膜厚が５０μｍ以下であり、且つイオン交換容量が０．５（ｍｅｑ／ｇ−乾燥イオン交換膜）以上であることが好ましい。
【００５９】
このような隔膜８は、低抵抗化を好適に実現する一方で、通常は、強度が得られ難く、用いることが困難である。これに対して、本発明では、一つの電解槽１を構成するセルスタック３を、複数に分割して同一枠体構造２上に保持することによって、各々のセルスタック３に用いる隔膜８の面積を比較的小さくする場合においても、優れた電解効率、充放電効率を発揮できる。即ち、隔膜８の面積を比較的小さくすることで隔膜８にかかる負荷を軽減できるため、上記のような低抵抗化された隔膜を安定に保持できるようになる。これにより、低抵抗化された隔膜８による機能を好適に発揮させて、電解効率に優れる効果が得られる。
【００６０】
発明の効果をより顕著に奏する観点で、隔膜８の膜厚は３０μｍ以下であることが更に好ましい。隔膜の膜厚の下限は格別限定されず、例えば１μｍ以上とすることができる。
【００６１】
また、発明の効果をより顕著に奏する観点で、隔膜８のイオン交換容量は１．０（ｍｅｑ／ｇ−乾燥イオン交換膜）以上であることが更に好ましい。
【００６２】
各々の隔膜８の面積（電解液と接触する部分の面積）は、上述したように小さいことが好ましい。具体的には、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ以下の範囲であることが好ましく、１００ｍｍ×１００ｍｍ以下の範囲であることが更に好ましい。
【００６３】
隔膜８の材質は格別限定されないが、例えばポリオレフィンスルホン酸系イオン交換膜、ポリスチレンスルホン酸系イオン交換膜、フッ素樹脂系イオン交換膜等を好ましく挙げることができる。
【００６４】
図３に示したように、陽極１０及び陰極１１は、バイポーラプレート６を介して積層されることが好ましい。
【００６５】
本態様において、バイポーラプレートは格別限定されず、自体公知のものを用いることができ、例えばグラッシーカーボンプレート、カーボンプラスチックシート等を好ましく挙げることができる。
【００６６】
次に、図４及び図５を参照して、電解液が電極面と交差するように電極を流通するflow through方式のスタック構造について説明する。
【００６７】
図４は、flow through方式のスタック構造の一例を説明する展開図であり、図５は液流を説明する一部切り欠き斜視図である。図中、図３と同符号は同構成を指し、図３についてした説明を援用することができる。
【００６８】
本態様では、電解液が電極面と交差するように電極を流通するように、陽極１０の一面側に、陽極１０に流入する陽極液の流路を確保すると共に、陽極１０の他面側に、陽極１０から流出する陽極液の流路を確保する。同様に、陰極１１の一面側に、陰極１１に流入する陰極液の流路を確保すると共に、陰極１１の他面側に、陰極１１から流出する陰極液の流路を確保する。
【００６９】
具体的には、図示の例では、２枚の陽極用スペーサー７'、７''を用いている。即ち、これら陽極用スペーサー７'、７''によって陽極１０の設置スペースが確保されると共に、陽極１０の両面に陽極液の流路も確保されている。
【００７０】
ここでは、バイポーラプレート６の陽極１０と接触する側の面に複数の凸部１２を形成し、複数の凸部１２間に形成される凹部によって、陽極１０に流入する電解液の流路を形成している。一方、スペーサー７''によって確保された領域内にネット１３を充填することにより、該ネット１３内に、陽極１０から流出する陽極液の流路を形成している。
【００７１】
陽極用スペーサー７'には、陽極液流入マニホールドＡと接続された貫通孔７'ａ、陽極液流出マニホールドＢと接続された貫通孔７'ｂ、陰極液流入マニホールドＣと接続された貫通孔７'ｃ、陰極液流出マニホールドＤと接続された貫通孔７'ｄが設けられている。また、陽極用スペーサー７''には、陽極液流入マニホールドＡと接続された貫通孔７''ａ、陽極液流出マニホールドＢと接続された貫通孔７''ｂ、陰極液流入マニホールドＣと接続された貫通孔７''ｃ、陰極液流出マニホールドＤと接続された貫通孔７''ｄが設けられている。
【００７２】
図示の例では、陽極用スペーサー７'に設けられた貫通孔７'ａと、陽極用スペーサー７''に設けられた貫通孔７''ｂとが互いに液的に連通しており、貫通孔７'ａから貫通孔７''ｂに向かう陽極液の流路に陽極１０が設けられている。
【００７３】
更に、図示の例では、２枚の陰極用スペーサー９'、９''を用いている。即ち、これら陰極用スペーサー９'、９''によって陰極１１の設置スペースが確保されると共に、陰極１１の両面に陰極液の流路も確保されている。
【００７４】
ここでは、スペーサー９'によって確保された領域内にネット１３を充填することにより、該ネット１３内に、陽極１１に流入する電解液の流路を形成している。一方、バイポーラプレート６の陰極１１と接触する側の面に複数の凸部１２を形成し、複数の凸部１２間に形成される凹部によって、陰極１１から流出する陰極液の流路を形成している。
【００７５】
陰極用スペーサー９'には、陽極液流入マニホールドＡと接続された貫通孔９'ａ、陽極液流出マニホールドＢと接続された貫通孔９'ｂ、陰極液流入マニホールドＣと接続された貫通孔９'ｃ、陰極液流出マニホールドＤと接続された貫通孔９'ｄが設けられている。また、陰極用スペーサー９''には、陽極液流入マニホールドＡと接続された貫通孔９''ａ、陽極液流出マニホールドＢと接続された貫通孔９''ｂ、陰極液流入マニホールドＣと接続された貫通孔９''ｃ、陰極液流出マニホールドＤと接続された貫通孔９''ｄが設けられている。
【００７６】
図示の例では、陰極用スペーサー９'に設けられた貫通孔９'ｃと、陰極用スペーサー９''に設けられた貫通孔９''ｄとが互いに液的に連通しており、貫通孔９'ｃから貫通孔９''ｄに向かう陰極液の流路に陰極１１が設けられている。
【００７７】
特に図５に示すように、陽極液流入マニホールドＡから流入する陽極液は、陽極用スペーサー７の貫通孔７'ａから、バイポーラプレート６の複数の凸部１２間の凹部内に導かれる。凸部１２間の凹部内の陽極液は、陽極１０の電極面と交差するように陽極１０を流通した後、ネット１３内を流通して、陽極用スペーサー７''の貫通孔７''ｂから、陽極液流出マニホールドＢに流出する。
【００７８】
一方、陰極液流入マニホールドＣから流入する陰極液は、陰極用スペーサー９'の貫通孔９'ｃから、ネット１３内に導かれる。ネット１３内の陰極液は、陰極１１の電極面と交差するように陰極１１を流通した後、バイポーラプレート６の複数の凸部１２間の凹部内を流通して、陰極用スペーサー９''の貫通孔９''ｄから、陰極液流出マニホールドＤに流出する。
【００７９】
このようにして、flow through方式のスタック構造を構成することができる。
【００８０】
本態様では、２枚の陽極用スペーサー７'、７''間に陽極１０を挟持して保持することも好ましい。この場合、２枚の陽極用スペーサー７'、７''のうち何れか一方又は両方をガスケット等の弾性材料によりにより構成することも好ましいことである。これは、陰極側についても同様である。
【００８１】
また、複数の凸部１２を備えたバイポーラプレート６としては、例えばグラッシーカーボンプレート、カーボンプラスチックシート等に、導電性を有する帯状の凸部を圧着、接着、融着したもの等を好ましく用いることができる。帯状の凸部としては、例えば炭素シート等を短冊状に切り出したものを用いることができる。
【００８２】
図４及び図５に示した例では、電極の両面に流路を確保する手段として、バイポーラプレート上の凸部と、ネットを用いる場合について示したが、これに限定されるものではなく、電極の両面に流路を確保できるものであればよい。
【００８３】
ここで、図６を参照して、スペーサーの他の例について詳しく説明する。
【００８４】
図６に示す陽極用スペーサー７'は、陽極液を流入する貫通孔７'ａと、該スペーサー７'内に設けられる陽極１０との間に、陽極液の流路を狭めるスリット１４を備えることができる。これにより、電解液を介した漏洩電流の低減を図ることができる。
【００８５】
図６では、陽極用スペーサー７'を例に挙げて説明したが、他のスペーサーにおいても、電解液が流入する貫通孔あるいは電解液が流出する貫通孔と、該スペーサー内に設けられる電極との間に、電解液の流路を狭めるスリットを設けることは好ましいことである。
【００８６】
次に、図７〜図９を参照して、電解液が電極の一面から電極内に流入した後、該一面から流出する往復方式のスタック構造について説明する。
【００８７】
図７は往復方式のスタック構造の一例を説明する展開断面図である。図８はスペーサー及びバイポーラプレートを説明する図であり、図８（ａ）は陽極用スペーサーの平面図、（ｂ）は陰極用スペーサーの平面図、（ｃ）はバイポーラプレートを陽極側から見た平面図、（ｄ）はバイポーラプレートを陰極側から見た平面図である。また、図９は液流を説明する断面図である。図中、図３と同符号は同構成を指し、図３についてした説明を援用することができる。
【００８８】
本態様のスタック構造は、図３に示した例と同様に、バイポーラプレート６、陽極用スペーサー７、隔膜８、陰極用スペーサー９からなるセル単位により構成することができる。
【００８９】
本態様では、陽極１０の一面側に、陽極１０に流入する陽極液の流路を確保すると共に、陽極１０の他面側を封止して、一面側から陽極１０に流入した陽極液を再び一面側に戻すようにしている。これを好適に実現するために、陽極１０の一面側に設けられる流路上に、液流を陽極１０内に導くための部材を設けることができる。同様に、陰極１１の一面側に、陰極１１に流入する陰極液の流路を確保すると共に、陰極１１の他面側を封止して、一面側から陰極１１に流入した陰極液を再び一面側に戻すようにしている。これを好適に実現するために、陰極１１の一面側に設けられる流路上に、液流を陰極１１内に導くための部材を設けることができる。図示の例では、前記部材として、バイポーラプレート６の両面に形成した導電性を有する凸部１５を用いる。以下に、この点について詳しく説明する。
【００９０】
図８（ａ）に示すように、陽極用スペーサー７の貫通孔７ａと貫通孔７ｂとが、該陽極用スペーサー７によって確保される間隙によって、互いに液的に連通している。また、図８（ｂ）に示すように、陰極用スペーサー９の貫通孔９ｃと貫通孔９ｄとが、該陰極用スペーサー９によって確保される間隙によって、互いに液的に連通している。
【００９１】
また、図８（ｃ）に示すように、バイポーラプレート６の陽極側の面には、凸部１５が設けられている。凸部１５は、陽極用スペーサー７によって形成される間隙内において、陽極液が流入する側（図中、貫通孔６ａ側）と、陽極液が流出する側（図中、貫通孔６ｂ側）とを隔てるように形成されている。ここでは、凸部１５は蛇行する帯状に設けられている。また、図８（ｄ）（図８（ｃ）に示したバイポーラプレート６を反対側の面から見ている）に示すように、バイポーラプレート６の陰極側の面にも、凸部１５が設けられている。凸部１５は、陰極用スペーサー９によって形成される間隙内において、陰極液が流入する側（図中、貫通孔６ｃ側）と、陰極液が流出する側（図中、貫通孔６ｄ側）とを隔てるように形成されている。
【００９２】
バイポーラプレート６の凸部１５は、flow through方式で説明したのと同様にして形成することができる。
【００９３】
陽極１０は、バイポーラプレート６の陽極側の凸部１５と、隔膜８との間に挟持されている。同様に、陰極１１は、バイポーラプレート６の陰極側の凸部１５と、隔膜８との間に挟持されている。
【００９４】
これにより、特に図８（ｃ）及び図９に示すように、陽極液（液流を矢印で示した）は、陽極用スペーサー７の貫通孔７ａから流入し、貫通孔７ｂから流出するまでの間に、バイポーラプレート６の陽極１０側の面に設けられた凸部１５を跨ぐことになる。そして、陽極液が凸部１５を跨ぐ過程で、該陽極液は陽極１０内に流入し、流入したのと同じ側から流出する。同様に、特に図８（ｄ）に示すように、陰極液（液流を矢印で示した）は、陰極用スペーサー９の貫通孔９ｃから流入し、貫通孔９ｄから流出するまでの間に、バイポーラプレート６の陰極１１側の面に設けられた凸部１５を跨ぐことになる。そして、陰極液が凸部１５を跨ぐ過程で、該陰極液は陰極１１内に流入し、流入したのと同じ側から流出する。
【００９５】
このようにして、往復方式のスタック構造を構成することができる。
【００９６】
以上、スタック構造についていくつかの例を挙げたが、これらに限定されるものではない。また、例えば、陽極と陰極とで異なるスタック構造を組み合わせてもよい。更にまた、枠体構造に設けられる複数のセルスタックは、同じスタック構造を有してもよいし、異なるスタック構造を有してもよい。
【００９７】
次に、図１０〜図１２を参照して、セルスタックの固定方式の例を挙げて、本発明について更に詳しく説明する。
【００９８】
図１０（ａ）に示す各セルスタック３は、上述したセル単位を複数積層したものを、両側から、図示しない集電板及び絶縁板を介して押え板１６で挟持し、積層体に挿通した複数の軸をボルト止めすることによって一体に固定されている。
【００９９】
このようにして一体化されたセルスタック３を複数用意し、これを図示しない枠体構造に設置することで、セルスタック集合型電解槽を構成することができる。
【０１００】
ここでは、押え板１６は、それぞれのセルスタック３に独立に設けられている。
【０１０１】
一方、図１０（ｂ）に示す複数のセルスタック３は、共通の押え板１６によって挟持されている。即ち、押え板１６自体を、枠体構造として機能させている。このようにして一体化されたものを、セルスタック集合型電解槽とすることもできる。
【０１０２】
また、図１１及び図１２の例に示すように、各セルスタック３を構成する積層要素の１以上を、複数のセルスタックで共通化することもできる。これにより、かかる積層要素自体を、枠体構造として機能させることもできる。このようにして一体化されたものを、セルスタック集合型電解槽とすることもできる。
【０１０３】
図１１に示した例では、図３に示したflow by方式のスタック構造における積層要素であるバイポーラプレート６、スペーサー７、９を、複数のセルスタック３で共通化している。
【０１０４】
図１２に示した例では、図４及び図５に示したflow through方式のスタック構造における積層要素であるバイポーラプレート６、スペーサー７'、７''、９'、９''を、複数のセルスタック３で共通化している。
【０１０５】
図１１及び図１２に示すように、電極（陽極１０及び陰極１１）及び隔膜８は、各セルスタック３に独立に設けられることが好ましい。
【０１０６】
また、導電性を有する積層要素（例えば集電板、バイポーラプレート等）の１以上を複数のセルスタックで共通化する場合において、各セルスタック３を電気的に直列に接続するときは、前記導電性を有する積層要素によってセルスタック３同士が電気的に並列に接続されないように構成することが好ましい。その観点で、例えば、セルスタック３同士を互いに絶縁するように前記導電性を有する積層要素に絶縁部を設けることができる。例えば、図１１及び図１２の例では、バイポーラプレート６に破線で示した領域Ｉを絶縁部とすることができる。
【０１０７】
以上の説明では、陽極液流入マニホールドＡ及び陽極液流出マニホールドＢにおける液流の方向と、陰極液流入マニホールドＣ及び陰極液流出マニホールドＤにおける液流の方向とを、同じ方向にする（並行流とする）場合について主に示したが、これに限定されず、陽極液流入マニホールドＡ及び陽極液流出マニホールドＢにおける液流の方向と、陰極液流入マニホールドＣ及び陰極液流出マニホールドＤにおける液流の方向とを、逆の方向にする（向流とする）ものであってもよい。また、漏洩電流の更なる低減等の観点で、これらのマニホールドは、セルスタックの外部に設けてもよい。
【０１０８】
次に、図１３を参照して、セルスタック集合型電解槽の一つの使用例として銅回収装置の例を挙げて、本発明について更に詳しく説明する。
【０１０９】
図１３において、セルスタック集合型電解槽１は、銅溶出処理塔１７との間で陽極液を循環するように構成されている。この循環ラインにおける銅溶出処理塔１７の下流には銅回収装置１８が設けられている。循環ライン内の陽極液は、ポンプ１９によって送液されるように構成されている。ここでは、陽極液として、硫酸酸性第２鉄イオン（Ｆｅ３＋）水溶液を用いている。
【０１１０】
また、セルスタック集合型電解槽１は、陰極液タンク２０との間で陰極液を循環するように構成されている。循環ライン内の陰極液は、ポンプ２１によって送液されるように構成されている。ここでは、陰極液として、硫酸水溶液を用いている。
【０１１１】
銅溶出処理塔１７内には、金属銅を含有する廃棄物が入っている。このような廃棄物としては、例えば、銅メッキが施されたプラスチック片等が挙げられる。銅溶出処理塔１７は、かかる廃棄物に陽極液を散布するように構成されている。
【０１１２】
即ち、水溶液中の第２鉄イオン（Ｆｅ３＋）によって金属銅（Ｃｕ）を酸化させて銅イオン（Ｃｕ２＋）として溶出させる（Ｃｕ→Ｃｕ２＋＋２ｅ−）。これに伴い、第２鉄イオン（Ｆｅ３＋）は、第１鉄イオン（Ｆｅ２＋）に還元される（２Ｆｅ３＋＋２ｅ−→２Ｆｅ２＋）。
【０１１３】
これにより、銅溶出処理塔１７内の廃棄物中の銅を、陽極液に溶出させて分離することができる。陽極液に溶出した銅イオンは、後段の銅回収装置１８において、例えば電着等により回収される。
【０１１４】
銅の酸化に伴って還元された第１鉄イオン（Ｆｅ２＋）を含む水溶液は、電解槽１に返送され、陽極における電解によって、第１鉄イオン（Ｆｅ２＋）は第２鉄イオン（Ｆｅ３＋）に酸化される。電解後の第２鉄イオン（Ｆｅ３＋）を含む水溶液は、再び銅溶出処理塔１７に供給され、廃棄物に散布される。
【０１１５】
このとき、電解槽１が、複数のセルスタック３により構成されていることにより、負荷（ここでは回収処理量）に応じて、使用するセルスタック数を１個から４個まで容易に選択することができる。これにより、ポンプ動力及びマニホールド漏洩電流を好適に低減でき、電解の所要電力を大幅に低減することができる。
【０１１６】
ここに挙げたセルスタック集合型電解槽の使用例は、あくまでも一例であり、これに限定されるものではない。セルスタック集合型電解槽は、電極電解反応を利用する種々の装置を構成するために好ましく用いることができる。
【０１１７】
次に、本発明のセルスタック集合型電池について説明する。本発明のセルスタック集合型電池は、基本的に本発明のセルスタック集合型電解槽についてした説明を援用することができる。即ち、電解槽における陰極及び陰極を、電池における正極及び負極とすることができる。電池においては、正極及び負極からなる電極に、活物質液として正極液及び負極液を供給し、充放電を行うように構成することができる。
【０１１８】
セルスタック集合型電池においても、上述した電解槽と同様に、各セルスタックへの活物質液の送液を、全体的あるいは部分的に、並列及び又は直列に行うように構成されることが好ましい。
【０１１９】
また、セルスタック集合型電池においても、上述した電解槽と同様に、正極と負極との間に、膜厚が５０μｍ以下であり、且つイオン交換容量が０．５（ｍｅｑ／ｇ−乾燥イオン交換膜）以上である隔膜を介在させることが好ましい。
【０１２０】
電池における充放電を行う間、活物質液を電極に流通させてもよいし、流通を停止してもよいし、流通と静止を繰り返すように活物質液の送液を間欠的に行うようにしてもよい。
【０１２１】
活物質液は、活物質濃度が２．５Ｍ以上であることが好ましい。これにより本発明の効果がより顕著に奏される。例えば、活物質としてバナジウムを用いる場合、活物質液中のバナジウムイオン濃度は、２．５Ｍ以上であることが好ましい。
【０１２２】
本発明のセルスタック集合型電池は、レドックスフロー電池として用いることができ、特にバナジウムレドックスフロー電池として好適に用いることができる。
【０１２３】
図１４を参照して、セルスタック集合型電電池の一つの使用例として、太陽電池からの出力を受電するバナジウムレドックスフロー電池の例を挙げて、本発明について更に詳しく説明する。
【０１２４】
セルスタック集合型電電池２２は、正極液としてバナジウム４価及び５価のバナジウムイオンを含有する液を用い、負極液としてバナジウム２価及び３価のバナジウムイオンを含有する液を用いている。
【０１２５】
セルスタック集合型電池１は、正極液タンク２３との間で正極液を循環するように構成されている。循環ライン内の正極液は、ポンプ２４によって送液されるように構成されている。
【０１２６】
また、セルスタック集合型電池２２は、負極液タンク２５との間で負極液を循環するように構成されている。循環ライン内の負極液は、ポンプ２６によって送液されるように構成されている。
【０１２７】
セルスタック集合型電池２２を充電する際には、太陽電池出力に応じて、電気的に直列に接続するセルスタック数を調整し、受電（充電）効率を向上させることができる。
【０１２８】
一方、セルスタック集合型電池２２からの出力（放電）に際しては、複数のセルスタックを直列に接続することによって、好適に高電圧化を図ることができる。また、負荷に応じて直列に接続するセルスタック数を変更することも好ましいことである。
【０１２９】
ここでは、４つのセルスタック３によってセルスタック集合型電池２２を構成しているが、セルスタック集合型電池２２を構成するセルスタック３の数は複数であればよい。
【実施例】
【０１３０】
以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はかかる実施例により限定されない。
【０１３１】
（実施例１）
本発明のセルスタック集合型電解槽を用いて、図１３に示したものと同様の銅回収装置を構成した。
【０１３２】
ここでは、４個のセルスタックを一つの枠体構造に設けたセルスタック集合型の電解層を用いた。
【０１３３】
銅の回収処理量に応じて、使用するセルスタック数を１個から４個まで選択することによって、主にポンプ動力及びマニホールド漏洩電流の低減によって、電解の所要電力を３０％低減することができた。
【０１３４】
試験条件は以下の通りである。
・陽極及び陰極：酸化エッチング処理によって繊維径を５μｍ以下にした炭素繊維を含有する炭素繊維フェルト
・電解電流：２５Ａ／１セルスタック（０．２５Ａｃｍ−２）
・印加電圧：４０Ｖ／１セルスタック
・負極液：２ＭのＨ２ＳＯ４を含む水溶液（使用中に鉄イオン混入）
・隔膜：膜厚が２５（μｍ）であり、且つイオン交換容量が２．０（ｍｅｑ／ｇ−乾燥イオン交換膜）であるフッ素系イオン交換膜
・各隔膜の面積（電解液と接触する部分の面積）：１００ｍｍ×１００ｍｍ
【０１３５】
（実施例２）
本発明のセルスタック集合型電池を用いて、図１４に示したものと同様の、太陽電池からの出力を受電するバナジウムレドックスフロー電池を構成した。
【０１３６】
ここでは、４個のセルスタックを一つの枠体構造に設け、ピーク時１ｋＷの太陽電池からの出力を受電するように構成した。
【０１３７】
初期活物質液として、硫酸濃度５．５Ｍのバナジウムイオン濃度２．５Ｍ（３価バナジウムイオンと４価バナジウムイオンのモル比＝１：１）の溶液を正極及び負極に供給し、充電によって、正極活物質液中のバナジウムイオンを５価バナジウムイオンに酸化し、負極活物質液中のバナジウムイオンを２価バナジウムイオンに還元した。
【０１３８】
太陽電池出力に応じて、電気的に直列に接続するセルスタック数を調整し、受電（充電）効率を向上させることができた。
【０１３９】
電池からの出力（放電）に際しては、セルスタック全てを直列に接続することによって、ＤＣ１００Ｖの出力電圧を達成することができた。
【０１４０】
試験条件は以下の通りである。
・正極及び負極：酸化エッチング処理によって繊維径を５μｍ以下にした炭素繊維を含有する炭素繊維フェルト
・隔膜：膜厚が２５（μｍ）であり、且つイオン交換容量が２．０（ｍｅｑ／ｇ−乾燥イオン交換膜）であるフッ素系イオン交換膜
・各隔膜の面積（活物質液と接触する部分の面積）：１００ｍｍ×１００ｍｍ
【符号の説明】
【０１４１】
１：セルスタック集合型電解槽
２：枠体構造
３：セルスタック
６：バイポーラプレート
７：スペーサー
８：隔膜
９：スペーサー
１６：押え板
２２：セルスタック集合型電池
【図１】
2017082268.tif 000003
【図２】
2017082268.tif 000004
【図３】
2017082268.tif 000005
【図４】
2017082268.tif 000006
【図５】
2017082268.tif 000007
【図６】
2017082268.tif 000008
【図７】
2017082268.tif 000009
【図８】
2017082268.tif 000010
【図９】
2017082268.tif 000011
【図１０】
2017082268.tif 000012
【図１１】
2017082268.tif 000013
【図１２】
2017082268.tif 000014
【図１３】
2017082268.tif 000015
【図１４】
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