KR100701874B1 - 전해액의 독립적 직렬 흐름 유로를 갖는 셀 적층형 단극식격막 전해장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전해액의 독립적 직렬 흐름 유로를 갖는 셀 적층형 단극식 격막 전해장치에 관한 것으로, 그 목적은 전해장치를 흐르는 양극액과 음극액이 각각 양극방과 음극방으로만 직렬로 흐르게 하고, 적절한 크기의 정류기를 사용하며, 이에 부합되는 전극 면적을 가지는 적절한 전해 단위 셀 수를 적층하여, 전해 반응에 필요한 전해액의 반응기 내 체류시간을 쉽게 조절할 수 있는 전해액의 독립적 직렬 흐름 유로를 갖는 셀 적층형 단극식 격막 전해장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 평판형 전극과, 상기 평판형 전극의 양측에 각각 설치되고 내부에 셀공간을 위한 개스킷 개방부를 구비하는 개스킷과, 상기 개스킷의 일측면에 밀착 설치되고 셀공간을 위해 내부에 개스킷 개방부와 연통되는 개방부 및 개방부 하부로 전해액을 유도하는 유로를 구비하는 셀프레임과, 상기 셀프레임의 또다른 일측면에 밀착 설치되고 내부에 개방부와 연통되는 개스킷 개방부가 형성된 개스킷으로 구성된 양극셀과 음극셀 사이에 격막이 설치되어 하나의 단위 전해셀을 구성하고, 상기 단위전해셀을 다수번 반복 설치하며, 양끝단에 전해액 주입/배출구를 구비하는 말단 프레임이 설치되어, 양극액과 음극액이 동일 극을 가지는 단위 셀로 독립적인 직렬흐름을 가지고 서로 다른 극의 단위 셀을 통과하도록 구성되어 있다.

전해조, 전기분해, 적층형, 필터 프레스형, 직렬흐름

Description

전해액의 독립적 직렬 흐름 유로를 갖는 셀 적층형 단극식 격막 전해장치 {A membrane electrolyzer stacked by mono-polar unit cells with independent series flow path of electrolytes}

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 부품 및 조립 배열도

도 2 는 본 발명에 따른 전해액의 흐름을 보인 예시도

도 3 은 본 발명에 따른 전체 구성을 보인 예시도

* 도면의 주요 부품에 대한 부호의 설명

(1) : 양극셀 (2) : 음극실

(3A,3B): 말단 프레임 (4A,4B,7A,7B,10A,10B,13A,13B) : 개스킷

(5,8,11,14) : 셀 프레임 (6) : 평판형 양극

(9) : 격막 (12) : 평판형 음극

(15) : 양극액 주입 관통구 (16) : 음극액 주입 관통구

(17,21,23,25,27,29,80,32,34,36,39,41,43,46,48) : 음극액 관통구

(18,19,22,26,28,30,31,35,37,38,40,44,45,47,49) : 양극액 관통구

(20,30,37,45) : 연결관통구 (50) : 음극액 배출 관통구

(51) : 양극액 배출 관통구 (52,53,54,55) : 개구부

(56A) : 하부 요철면 (56B) : 상부 요철면

(57A) : 하단 셀 전해액 분배 개구부

(57B) : 상단 셀 전해액 분배 개구부

(58) : 개스킷 개방부 (59) : 개방부

(60) : 결합봉 관통구 (61) : 배출구

(62) : 연결용 돌출부 (64) : 결합봉 관통구

(65) : 양극액 흐름 (66) : 음극액 흐름

(67) : 음극액 주입구 (68) : 양극액 주입구

(69) : 음극액 배출구 (70) : 양극액 배출구

(71) : 결합봉 (72) : 너트

(73) : 배출관

본 발명은 전해액의 독립적 직렬 흐름 유로를 갖는 셀 적층형 단극식 격막 전해장치에 관한 것으로, 연속식 전해조에서 전해 반응에 필요한 전해액의 체류시간을 효율적으로 조절할 수 있으며, 하나의 조해조로부터 다양한 전해 반응 전환율을 가지는 용액을 동시에 만들어 전해 시스템 구성의 효율을 높일 수 있는 단위 셀이 적층된 단극식 격막 전해장치에 관한 것이다.

음극 또는 양극에서 생성되는 물질이 서로 다른 극에서 재 산화 또는 재 환 원의 방지, 전극에 의한 pH의 유지 및 조정, 이온 물질의 선택적 전기영동을 이용한 전해 처리 등을 위해서는 양극과 음극 사이에 음이온 또는 양이온 교환막을 설치한 격막형 전해조가 필요하다. 그리고 대상 용액의 연속적인 전해 처리를 수행하는 경우 용액에 포함된 물질은 전극 표면에서의 전극의 직접 반응에 의해 변화되거나 전극 표면 반응에서 생성된 물질에 의해 간접적으로 변화되는데 이때 전해 반응도가 원하는 정도까지 도달하기 위해서는 적절한 반응 시간이 필요하고 이를 위해서는 전해액의 반응기 내 체류시간 조절이 필요하다. 전해액의 반응기 내 체류시간은 유량이 고정된 경우, 반응기 셀 부피를 조절하여야 하고, 셀 부피가 고정된 경우는 반응기로 주입되는 유량을 조절하여야 한다. 각 셀의 부피 상승에 의한 체류 시간을 늘리기 위해 단위 셀에서 막과 전극의 거리를 늘리는 경우, 셀 전압이 상승하게 되며 이로 인해 전력비의 상승을 야기하게 된다. 또한, 셀 전압을 유지하기 위하여 전극간의 간격을 고정하는 경우, 전극 면적이 커지게 되는데 이때 전극에 공급되는 전류밀도가 동일하다면 전극체 전체에 공급되어야 하는 전류는 전극 면적에 비례하여 매우 커지게 된다. 전해조에 필요한 전류를 공급하기 위한 정류기는 전류 출력이 커짐에 따라 제작상의 어려움과, 정류기 자체의 크기 및 제작비의 기하급수적인 증가와 이로 인한 전해 시스템 구성에 어려움이 발생된다.

본 발명이 속하는 종래의 기술로 공개 특허 제1998-0009526은 분리막을 가지는 단극식 적층형 전해조에 관한 것으로, 평판형 전극의 양면에서 전해액이 유입될 수 있도록 하기 위하여 소정의 두께를 가지는 개스킷에 상,하단부 일축 꼭지점이 상하방향으로 대향되게 치우쳐진 개구부와 상하부 일출 코너부에 통공을 가지는 것 을 특징으로 하는 것으로, 여기서는 양극액과 음극액이 독립적으로 전해조의 모든 단위 셀의 음극과 양극의 양면을 모두 접하며 배출되는 구조로 전해액이 적층 전해조의 각 셀을 병렬 형태로 흐르며 배출되도록 되어 있어, 후술되는 본 발명과는 구성 및 특징이 다르다. 또한, 공개특허 제2002-0072831와 공개특허는 복극식 적층형 전해조에 관한 것으로, 후술되는 본 발명과 구성 및 목적이 다르며, 여기서는 동일 전해액이 복극식 단일 전극의 양면을 접하게 하여 흐르게 하고 배출되도록 되어 있어, 병렬형 흐름을 구비하게 된다. 또한, 공개특허 제1994-0010104와 제1995-0010156은 분리막과 망사형의 전극을 사용하는 복극식 전해조로 후술되는 본 발명과는 그 구조가 다르며, 전해액은 적층된 각 셀을 병렬로 흐르는 구조를 가진다. 실용신안 공보 제20-0285556은 분리막과 망사형 전극을 사용하는 단극식으로 음극액과 양극액이 적층된 각 셀을 병렬로 흘러 전해조를 나오는 형태로 후술되는 본 발명과는 구조가 다르며, 전해액은 적층된 각 셀을 병렬로 흘러 배출되는 구조이다. 또한, 공개특허 특 2003-0079788 (JP-P-2002-00104168)와 공개특허 제1997-7003913(PCT/JP 95/001311) 역시, 후술되는 본 발명의 목적과 특징이 다르고, 제 1989-0016213 역시, 후술되는 본 발명의 목적과 그 구조가 다르다. 공개특허 제1983-0006470은 분리막이 없이 음극과 양극이 교대로 적층된 필터 프레스형 전해조 2조 이상을 다시 상하로 음극과 양극이 엇갈리며 위치하게 하며 상하의 음극과 양극을 연결하는 구조에 관한 것으로 후술되는 본 발명과 구조 및 목적을 달리한다. 또한, 미합중국 특허 4,253,932와 4,568,434는 망사형 전극을 사용하는 적층형 전해조에 관한 것으로 이 역시 후술되는 본 발명과 목적 및 구성을 달리하며, 일본 특허 공보 제1994-049676 적층 전해조를 위한 망사형 전극 제조에 관한 것이다. 일본 특허 제3238771는 후술되는 본 발명의 목적과 구조가 틀리며 일본 특허 공보 제1994-022143은 격막을 가지는 적측형 전해조에서 각 전해액이 병렬로 흐르는 구조로 본 발명의 목적과 다르다. 위에서 상술된 것처럼 종래의 적층형 전해조에서는 단위 전해조를 필터 프레스형으로 구성함에 있어 다수의 단위 셀의 적층된 상태에서 전해액을 각 단위 셀에 병렬 흐름을 가지며 공급하고 이어 배출되는 전해액과 기체를 배출시키기 위한 방법이나 적층형 셀에 사용되는 전극의 구조에 초점이 맞추어져 있다. 이러한 종래의 기술로 구성되는 적층식 전해조에서는 원하는 전해 반응율 가지는 전해액의 체류시간을 얻기 위해 단위 셀의 크기를 키우거나 공급되는 전해액의 유속을 조절하여야 하는데, 이런 경우 장치가 커지고 이에 따른 정류기 등의 장치 및 설비 제작비가 급격히 증가하거나, 전해 운전 범위 조절에 대한 제한을 받게 되고, 전해액이 각 셀을 병렬로 흘려 합쳐지는 구조를 가지므로 한 전해조에서는 한 종류의 전해 반응 전환율을 가진 용액만 얻어지게 된다.

본 발명은 종래기술수단과 차별화되고, 종래기술수단이 포함한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 전해장치를 흐르는 양극액과 음극액이 각각 양극방과 음극방으로만 직렬로 흐르게 하고, 적절한 크기의 정류기를 사용하며, 이에 부합되는 전극 면적을 가지는 적절한 전해 단위 셀 수를 적층하여, 전해 반응에 필요한 전해액의 반응기 내 체류시간을 쉽게 조절할 수 있는 전해액의 독립적 직렬 흐 름 유로를 갖는 셀 적층형 단극식 격막 전해장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 여러개의 단위 셀을 적측하여 필터 프레스 형으로 구성하여, 구조의 단순성, 설치공간의 최소화 및 다른 전해장치와의 유연성을 확보할 수 있는 셀 적층형 단극식 격막 전해장치를 제공하는 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 부품 및 조립 배열도를, 도 2 는 본 발명에 따른 전해액의 흐름을 보인 예시도를, 도 3 은 본 발명에 따른 전체 구성을 보인 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 크게 양 끝단을 마감하며 전해액 주입/배출구를 가지는 말단 프레임(3A,3B)과, 상기 말단 프레임(3A,3B) 사이에 반복하여 설치되는 단위 전해셀로 구성되어 있으며, 상기 단위 전해셀은 단위 양극셀과 단위 음극셀 및 상기 단위 양극/음극셀 사이에 설치되는 격막으로 구성되어 있다. 이때, 상기 단위 양극셀(1)과 음극셀(2)은 유입되는 해당 극액(전해액)의 흐름이 서로 반대일뿐 전체적으로 동일 구성을 구비한다.

상기 단위 양극셀과 음극셀은 평판형 전극(6,12)과, 상기 평판형 전극(6,12)의 양측에 각각 설치되고 내부에 셀공간을 위한 개스킷 개방부(58)가 형성된 개스킷(4B,7A,10B,13A)과, 상기 개스킷의 일측면에 밀착 설치되고 내부에 개스킷 개방부(58)와 연통되는 개방부(59) 및 개방부 하부로 전해액을 유도하는 유로를 구비하는 셀프레임(5,8,11,14)과, 상기 셀프레임(5,8,11,14)의 또다른 일측면에 밀착 설치되고 내부에 개방부(59)와 연통되는 개스킷 개방부(58)가 형성된 개스킷 (4A,7B,10A,13B)으로 구성되어 있다.

상기 셀 프레임(5,8,11,14)은 전해액이 평판형 전극의 양면을 모두 접하며 흐르게 하기 위하여 평판형 전극(6,12)의 양면에 접하게 되는 것으로, 소정의 두께를 구비하며, 상기 적층된 셀 사이로 독립적 그리고 직렬 방식으로 음극액이 흐르는 음극액 관통구(21,29,36,46)와, 상기 적층된 셀 사이로 독립적 그리고 직렬 방식으로 양극액이 흐르는 양극액 관통구(19,28,38,47)와, 상기 음극액/양극액 관통구 하부에 위치하도록 중앙에 형성되어 일정한 전극 셀 공간을 형성하는 절개된 개방부(59)와, 상기 개방부(59)의 상하단부에 형성되어 전해액의 통로로 사용되는 상/하부 요철면(56B,56A)과, 상기 상/하부 요철면(56B,56A)에 연결되어 형성되는 상/하단 셀 전해액 분배 개구부(57B,57A)과, 상기 음극액 또는 양극액 관통구에 일측단이 연결되고 타측단이 하단 셀 전해액 분배 개구부(57A)에 연결되는 개구부(52,53,54,55)와, 상기 상단 셀 전해액 분배 개구부(57B)에 연결되고 음극액/양극액 관통구와 동일 높이로 형성되는 연결관통구(20,30,37,45)가 형성되어 있다.

상기 개구부(52,53,54,55)는 이전 단계 동일 극의 셀로부터 관통구를 통해 유입되는 유체인 전해액과 기체를 전극 셀 공간인 개방부(59)의 하단부에서 전극 셀 내부를 통해 상단부로 흘러나갈 수 있도록 유체의 방향을 전환하는 유로로써, 하단 셀 전해액 분배 개구부(56A)로 전해액과 기체를 유도하고, 소정의 폭을 구비하는 통로형 모양으로 셀 프레임으로부터 완전히 절개된 형상을 구비한다.

상기 셀 전해액 분배 개구부(57B,57A)는 개구부(52,53,54,55)를 통해 유입된 전해액을 하부 요철면(56A)으로 주입하거나 상부 요철면(56B)으로부터 용액을 받아 다음 동일 극의 셀로 보내기 위한 공간으로 사용되며, 셀 프레임의 상부 요철면(56B)과 연결관통구(20,30,37,45) 또는 하부 요철면(56A)과 개구부(52,53,54,55)를 연결한다.

상기 상/하부 요철면(56A,56B)은 전극 셀 내부(개방부)로 주입되는 전해액이 셀 내부에서 균일한 체류시간과 흐름 분포를 가지질 수 있도록 유입되는 유체를 분배하는 기능을 구비하며, 개방부(59)로의 출입을 위한 통로로 사용된다. 상기 상/하부 요철면(56A,56B)은 소정의 두께를 가지는 셀 프레임에서 일정한 두께까지만 요철을 갖도록 형성되어 있으며, 요철의 홈을 통해 유체가 흐르게 된다.

상기 연결관통구(20,30,37,45)는 상단 셀 전해액 분배 개구부(57B)와 연결되어 개방부(59)로 유입된 전해액을 또다른 셀프레임으로 공급하는 통로로 사용된다.

상기와 같이 구성된 셀 프레임(5,8,11,14)에는 해당 셀에서 필요에 따라 전해액을 배출하기 위한 배출구(61)가 형성되어 있으며, 개방부(59)를 중심으로 양측에 서로 대칭되는 위치에 가이드봉(도시없음)이 삽입되는 가이드봉 관통구(60)가 형성되어 있다. 상기 가이드 봉은 본 발명의 조립시 가이드봉 관통구(60)내로 삽입되는 것으로, 전해액에 화학적으로 안정한 폴리에틸렌 또는 테프론 등의 비금속 물질로 만들어진다.

상기 평판형 전극(6,12)은 평판형 금속체로, 본 발명과 같은 적층형 전해장치에서 각 부품이 필터 프레스 형으로 조립되기 위해서 조립을 위한 연결 부분의 형태가 평판을 이루는 것이 필요하다. 본 발명에서 사용되는 전극의 유효 부분은 망사형이나 평판형을 사용할 수 있는데 망사형 전극은 필터 프레스 형으로 조립되 기 위하여 망사형 전극체 주위를 평판 금속체로 연결하여야 하는데 이것은 전극제작 비용을 상승시키게 되다. 그러므로, 본 발명과 같이 평판형 전극을 사용 할 경우, 전극의 양 면을 모두 전해액이 순차적으로 접촉하게 하면 전극과 격막사이에 유체 통로가 길어져 전해액의 체류시간을 조절하는데 유리하여지고, 격막과 전극판 사이의 간격을 보다 일정하게 유지할 수 있어 보다 정밀한 전해 운전을 가능하게 한다. 즉, 전해액이 일정한 유속으로 주입되는 경우, 전해액의 체류시간은 전해장치내 전해액이 통과하게 되는 전해 셀 수에 의해 결정하게 된다.

상기 개스킷(4A,4B,7A,7B,10A,10B,13A,13B)은 말단프레임(3A,3B)과 셀 프레임(5,8,11,14) 사이, 셀 프레임(5,8,11,14)과 전극(6,12) 사이에 설치되어 구성부품 사이의 기밀을 유지하는 것으로, 중앙에 셀공간을 위한 개스킷 개방부(58)가 형성되어 있다. 상기 개스킷 개방부(58)는 셀 프레임의 개방부(59)와 연통된다. 또한, 개스킷 개방부(58) 양측에는 가이드봉이 삽입되는 가이드봉 관통구(60)를 구비하고, 개스킷 개방부(58) 상부에는 셀 프레임의 음극액/양극액 관통구 (21,29,36,46,19,28,38,47)에 연결되는 음극액/양극액 관통구(17,18,23,26,27,80,34,35,40,43,44,49) 또는 셀 프레임의 연결관통구(20,30,37,45)와 연결되는 음극액/양극액 관통구(22,31,39,48)가 형성되어 있다.

상기 말단 프레임(3A,3B)은 반복설치된 단위 전해 셀의 끝단부에 설치되는 것으로, 테두리에 결합봉(71)이 삽입되는 결합봉 관통구(64)가 형성되어 있으며, 중앙 양측에 가이드봉이 삽입되는 가이드봉 관통구(60)가 형성되어 있다. 또한, 일측 말단 프레임(3A)의 상부에는 이에 일측면이 밀착되는 일측 개스킷의 음극액/양 극액 관통구(17,18)와 연결되는 음극액/양극액 주입 관통구(15,16)가 형성되어 있으며, 또다른 말단 프레임(3B)의 상부에는 이에 일측면이 밀착되는 일측 개스킷의 음극액/양극액 관통구와 연결되는 음극액/양극액 배출 관통구(50,51)가 형성되어 있다.

또한, 각 구성 부품이 적층 시 이들의 조립을 용이하게 하기 위하여 모든 구성 부품에는 가이드 봉의 삽입을 위한 가이드 봉 관통구(60)가 형성되어 있으며, 최종 조립은 전해액(음극액/양극액)의 주입/배출 관통구를 가지는 말단 프레임(3A,3B)과 이들 구성 부품을 양단에서 압착하여 조이기 위해 양 끝에 나사 산을 가지는 일련의 결합봉(71)과 너트(72)를 사용한다. 즉, 말단 프레임의 테두리에 형성된 결합봉 관통구(64)를 통해 결합봉(71)을 삽입하고, 이를 너트(72)로 조여 조립한다.

즉, 본 발명은 모든 구성부품을 하나의 전해장치로 조립하기 위해서 순차적으로 조합된 모든 구성부품의 양 끝단에 놓이게 되는 말단 프레임(3A,3B)의 테두리에 존재하는 관통구(64)에 결합봉(71)을 삽입한 후 너트(72)를 이용하여 적층된 구성부품을 압착하도록 한다. 최종 조립된 본 발명의 전해장치에는 각 전극 판에 전기를 공급하기 위한 터미널 단자를 연결용 돌출부(62)가 있고, 이 돌출부에는 전해조의 동일 전극을 연결하기 위한 관통공이 있다. 전해조에 전기를 공급하는 터미널 연결방식은 정류기의 용량에 맞추어 전체 동일 전극을 하나로 연결하여 전기를 공급할 수도 있고 몇 개 단위 셀을 한조로 하여 동일 극 끼리 연결한 후 이들을 다시 직렬방식으로 연결할 수 있다.

상기와 같이 조립구성된 본 발명은 셀 프레임과 평판형 음극과 양극 및 격막을 이용한 단위 양극/음극셀을 반복적으로 적층하여 하나의 전해장치를 구성하며, 전극의 양측면에 각각 상기의 셀 프레임이 존재하므로, 전해액이 동일 전극의 양면을 차례로 접하며 흘러나가게 되고, 전극의 한쪽면에 접하는 셀 프레임은 격막을 사이에 두고 대응되는 전극의 일측 셀프레임과 접하게 된다.

즉, 본 발명의 말단 프레임(3A,3B) 사이에 단위 양극셀(1)과 단위 음극셀(2) 및 격막(9)으로 이루어진 단위 전해셀이 반복적으로 적층되어 있으며, 상기 단위 양극셀(1)은 개스킷(4A)-셀 프레임(5)-개스킷(4B)-평판형 전극(6)-개스킷(7A)-셀 프레임(8)-개스킷(7B)의 조합으로 구성되고, 단위 음극셀(2)은 개스킷(10A)-셀 프레임(11)-개스킷(10B)-평판형 전극(12)-개스킷(13A)-셀 프레임(14)-개스킷(13B)의 조합으로 구성되며, 이들 두 단위 셀 사이에 음이온 교환막 또는 양이온 교환막인 격막(9)을 두어 하나의 단위 전해 셀을 만들고 이를 필요한 만큼 반복하여 하나의 전해장치를 구성하게 된다. 여기서 전극과 격막간의 거리는 셀 프레임의 폭에 의해 결정된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 모든 구성 부품에 음극액과 양극액이 적층된 셀 사이로 독립적 그리고 직렬 방식으로 흐르게 하기 위한 관통구들이 형성되어 있으며, 도 1 에서 양극액 흐름의 관통구는 망사 무늬를 가지는 원으로 표현되어 있고 음극액 흐름의 관통구는 검은 색 원으로 표현되어 있다. 또한, 도 1 의 각 구성 부품이 차례로 순차적으로 조립 시 각 구성 부품의 음극액 또는 양극액의 흐름을 위한 관통구는 서로 이웃하고 있는 부품의 동일 목적의 관통구와 동축상의 위치에 놓이게 된다.

또한, 양극 셀(1)에서 음극액은 관통구들을 통해 직렬로 흐르게 되고, 양극액은 말단 프레임(3A), 개스킷(4A)의 양극액 관통구들을 통해 셀 프레임(5)의 개구부(52), 하단 셀 전해액 분배 개구부(57A), 하부 요철면(56A), 개방부(59), 상부 요철면(56B), 상단 셀 전해액 분배 개구부(57B), 연결 관통구(20)를 경유하여 개스킷(4B), 전극(6), 개스킷(7A)의 양극액 관통구를 통해 다시 셀 프레임(8)의 개구부(52), 하단 셀 전해액 분배 개구부(57A), 하부 요철면(56A), 개방부(59), 상부 요철면(56B), 상단 셀 전해액 분배 개구부(57B), 연결 관통구(20)를 경유하여 개스킷(7B)을 통해 격막(9)의 양극액 관통구(33)으로 흐르게 된다.

또한, 음극 셀(2)에서 양극액은 관통구들을 통해 직렬로 흐르게 되고, 음극액은 격막(9) 및 개스킷(10A)의 음극액 관통구(32,34)를 통해 셀 프레임(11)의 개구부(52), 하단 셀 전해액 분배 개구부(57A), 하부 요철면(56A), 개방부(59), 상부 요철면(56B), 상단 셀 전해액 분배 개구부(57B), 연결 관통구(20)를 경유하여 개스킷(10B), 전극(12), 개스킷(13A)의 음극액 관통구를 통해 셀 프레임(14)의 개구부(52), 하단 셀 전해액 분배 개구부(57A), 하부 요철면(56A), 개방부(59), 상부 요철면(56B), 상단 셀 전해액 분배 개구부(57B), 연결 관통구(20)를 경유하여 개스킷(13B)을 통해 반복되는 또다른 양극셀의 셀 프레임에 형성된 양극액 관통구로 흐르게 된다.

이와 같이, 단위 양극 셀(1)에서 음극액은 양극 셀의 구성 부품에 존재하는 음극액 관통구 즉, 도 1 의 말단 프레임(3A)의 음극액 관통구(15), 개스킷(4A)의 음극액 관통구(17), 셀 프레임(5)의 음극액 관통구(21), 개스킷(4B)의 음극액 관통구(23), 전극(6)의 음극액 관통구(25), 개스킷(7A)의 음극액 관통구(27), 또다른 셀 프레임(8)의 음극액 관통구(29), 개스킷(7B)의 음극액 관통구(30), 격막(9)의 음극액 관통구(32)의 순서로 통과하여 단위 음극셀(2)를 위한 개스킷(10A)의 음극액 관통구(34)에 도달할 때까지 양극액과 독립적으로 흐르고, 단위 양극 셀(1)의 최후의 양극액 관통구(31)를 나오는 양극액은 단위 음극 셀(2)의 구성 부품에 존재하는 양극액 관통구 즉, 도 1 의 격막(9)의 양극액 관통구(33), 개스킷(10A)의 양극액 관통구(35), 셀 프레임(11)의 양극액 관통구(38), 개스킷(10B)의 양극액 관통구(40), 전극(12)의 양극액 관통구(42), 개스킷(13A)의 양극액 관통구(44), 셀프레임(14)의 양극액 관통구(47), 개스킷(13B)의 양극액 관통구(49)의 순서를 통해 다음의 반복되는 양극 셀로 주입된다.

상기에서와 같이, 양극액과 음극액이 본 발명의 전해장치를 통과하는 동안 독립적으로 동일한 극을 가지는 셀만을 통과하는 직렬 흐름구조를 구비하며, 각 전해액이 직렬로 흐름에 따라 전해조를 구성하는 각 단위 셀에서는 전해 반응율이 다른 전해액이 만들어지므로 필요에 따라 각 단위 셀로부터 용액을 각기 전해 반응 수율을 가지는 전해액을 배출하기 위하여 셀 프레임에는 전해액을 배출하기 위한 배출구(61)가 형성되어 있다.

또한 전해액이 각 셀을 통과하는 과정에서 음극과 양극으로부터 물의 분해 또는 전해물의 반응에 의해 수소, 산소 등의 여러 종류의 기체가 발생하게 되는데, 이렇게 발생된 기체가 다수의 셀이 직렬로 연결된 전해장치 내부에 쌓이지 않으며 전해액과 함께 원활하게 빠져 나올 수 있도록 전해액이 각 셀의 하단에서 상단방향으로 흐르도록 구성되어 있으며, 이러한 구성에 의해 전해장치의 운전전력 상승과 전극 손상을 방지할 수 있다. 즉, 본 발명은 전체가 밀폐 형이므로 전해조 내부에서 직렬식 흐름 시 전해 반응에 의해 발생된 가스가 직렬로 흐르는 과정에서 셀 내에 축적이 되어 전해액의 흐름을 방해할 수 있고, 이에 따라 전해액과 접하지 못하는 전극 면이 발생될 수 있다. 이러한 현상이 발생하면 전극 내 셀 전압이 상승하고 전해액과 접하는 면으로 과도한 전류가 흐르게 되어 전해조 운전 전력 상승과 전극 손상을 야기시킬 수 있으므로, 다단 전해조에서 밀폐식 직렬 흐름을 가지기 위해서는 발생되는 기체가 전해액과 같이 항상 각 전해 셀의 하단에서 상단으로 흘러나가도록 하여야 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 각 전해액이 동일 극을 가지는 단위 셀을 순차적으로 직렬 흐름에 의해 전체 전해조를 통과하게 되므로, 통과 한 셀 수에 따라 체류시간이 결정되고 이에 따라 각 셀에서의 전해 반응율은 변화되므로, 하나의 전해장치로부터 다양한 전해 반응 수율을 가진 용액이 만들 수 있게 되며, 각 단위 셀에 설치된 배출구(61)를 통해 필요에 따라 해당 셀로부터 전해액을 뽑아낼 수 있다.

도 2 는본 발명에 따른 전해액의 흐름을 보인 예시도를 도시한 것으로, 위에서 상술한 것과 같이 전해조에서는 각 구성 부품에 존재하는 각 전해액의 관통공 과 셀 프레임에 존재하는 전해액의 방향 전환 유로를 통해 전극과 접하는 셀 공간으로 주입된 후 동일 극의 셀 프레임을 순차적으로 거치며 나가는 각 전해액의 흐름을 보여 준다.

도 3 은 본 발명에 따른 전체 구성을 보인 예시도를 도시한 것으로, 말단 프레임의 음극액 주입 관통구(15)와 양극액 주입 관통구(16)는 각각 음극액과 양극액 주입구(67,68)와 연결되며 말단 프레임(3B)의 음극액 배출 관통구(50)와 양극액 배출 관통구(51)은 음극액과 양극액 배출구(69,70)과 연결되고, 각 셀 프레임으로부터 각기 전해 반응율을 가지는 전해액을 배출할 수 있게 하기 위한 배출관(73)은 도 1 의 셀 프레임 전해액 배출구(61)와 연결된다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

양극에서 암모니아의 질소화 전해 분해 실험을 수행하였으며, 이때 양극으로는 이리듐 산화물 전극을 음극으로는 타타늄 전극을 사용하였고 분리막으로는 양이온 교환막(Nafion 424)을 사용하였다. 16 ㎖의 부피를 가지는 양극과 음극의 각 단위 셀을 4조씩 적층하고 본 발명에서 상술한 것과 같이 조립된 적층 전해조에서 각 전해액을 각 동일 전극 셀만을 직렬로 흐르게 하였다. 10 g/ℓNaCl 포함하며 pH 13인 0.986M의 초기 암모니아 용액을 상기 전해조의 양극방과 음극방으로 동시에 5㎖/min으로 주입하고 각 셀에는 80㎃/㎠의 전류를 공급하였다. 정상상태에서의 각 셀의 암모니아 농도와 그때의 pH 변화는 [표1]과 같다.

[표1]

상기 [표1]에서와 같이, 양극에서는 암모니아가 분해되고 부반응으로 일어나는 물의 산화 분해에 의해 pH가 낮아지며, 음극에서는 물의 환원 분해에 의해 pH가 높아짐을 알 수 있다. 한 대의 전해액 공급 펌프를 사용하는 본 발명은 적층 전해 셀의 수에 따라 전해액의 체류시간을 쉽게 조절할 수 있었으며, 이에 따라 동일한 전해액 주입속도에서 각 셀을 나오는 전해액은 본 발명의 전해장치 내에서 다른 체류 시간을 갖게 되어 다양한 암모니아의 질소 변환율과 pH를 가지는 용액을 동시에 만들 수 있음을 알 수 있다. 즉, 암모니아는 양극에서 분해되어 양극 방의 단위 셀에서는 암모니아의 분해율이 점차 낮아지고, 물의 분해 반응에의한 수송 발생이 동반되어 일어나 pH가 감소되나, 음극에서는 암모니아는 분해되지 않아 농도가 거의 일정하고 물의 분해 반응에 의한 수산기 이온의 발생에 의해 pH는 거의 14에 도달함을 볼 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통 상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 다단 구조를 가지는 격막 전해조의 구조에 관한 것으로, 음극액 또는 양극액의 전해액이 음극 또는 양극으로 사용되는 단극형 평판 전극 좌우 양면을 차례로 접하면서 적층된 각 음극 셀 및 양극 셀 내부를 직렬 방향으로 흐르는 개념을 사용하여 전체 전해 반응기 내에서 전해액의 체류시간을 쉽게 조절할 수 있으며, 이를 통하여 한 전해조로부터 동시에 다양한 전해 반응 전환율을 가지는 용액을 만들어 전해 반응 효율을 높이는 기능을 구비할 수 있다.

또한, 본 발명은 각 단위 셀에서 전해액이 전해 반응 중에 발생되는 가스와 함께 전해 셀 공간을 하부에서 상부로 균일하게 흐를 수 있어 반응기 내에 기체의 축적이 없이 전체 전해조 내를 흐를 수 있다.

또한 각 전해액이 다수의 동일 극 단위 셀을 직렬로 흘러 전해종의 중간 셀에서 전해액을 적절히 배출한다면 한 개의 전해조로부터 다양한 전해 반응율을 가진 용액을 생산 할 수 있다.

또한, 본 발명은 여러개의 단위 셀을 적측하여 필터 프레스 형으로 구성되어 있어, 구조의 단순성, 설치공간의 최소화 및 다른 전해장치와의 유연성을 확보할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims (5)

1. 양극셀과 음극셀 사이에 격막이 설치되어 하나의 단위 전해셀이 형성되고,

   다수번 반복 설치된 단위 전해셀의 양끝단에 전해액 주입/배출 관통구를 구비하는 말단 프레임을 설치하되,

   상기 양극셀과 음극셀은 평판형 전극과, 상기 평판형 전극을 중심으로 양측에 위치하도록 각각 설치되며, 내부에 셀공간을 위한 개방부 및 개방부 하부로 전해액을 유도하기 위한 유로가 형성된 셀 프레임과, 상기 셀 프레임의 양측면에 각각 설치되어 기밀을 유지하고 셀 프레임의 개방부에 연통되는 개스킷 개방부가 내부에 형성된 개스킷으로 각각 구성되고,

   상기 셀 프레임은 상부에 형성되어 적층된 셀 사이로 독립적 그리고 직렬 방식으로 음극액이 흐르는 음극액 관통구와, 상부에 형성되어 적층된 셀 사이로 독립적 그리고 직렬 방식으로 양극액이 흐르는 양극액 관통구와, 상기 음극액/양극액 관통구 하부에 위치하도록 중앙에 형성되어 일정한 전극 셀 공간을 형성하는 절개된 개방부와, 상기 개방부의 상하단부에 형성되어 전해액의 통로로 사용되는 상/하부 요철면과, 상기 상/하부 요철면에 연결되어 형성되는 상/하단 셀 전해액 분배 개구부와, 상기 음극액 또는 양극액 관통구에 일측단이 연결되고 타측단이 하단 셀 전해액 분배 개구부에 연결되는 개구부와, 상기 상단 셀 전해액 분배 개구부에 연결되고 음극액/양극액 관통구와 동일 높이로 형성되는 연결관통구를 포함하여 구성되어,

   양극액과 음극액이 동일 극을 가지는 단위 셀로 독립적인 직렬흐름을 가지고 서로 다른 극의 단위 셀을 통과하는 것을 특징으로 하는 전해액의 독립적 직렬 흐름 유로를 갖는 셀 적층형 단극식 격막 전해장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서;

   상기 셀프레임에는 셀공간인 개방부내의 전해액을 외부로 배출하는 배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 전해액의 독립적 직렬 흐름 유로를 갖는 셀 적층형 단극식 격막 전해장치.
4. 제 1 항에 있어서;

   상기 평판형 전극, 개스킷, 셀프레임, 격막 및 말단프레임에는 양극액 및 음극액의 흐름을 위한 관통구가 상부에 동축을 구비하며 각각 형성되고, 동일 극액이 통과하는 일측 관통구는 이웃하는 동일 극액이 통과하는 또다른 관통구와 연통되는 것을 특징으로 하는 전해액의 독립적 직렬 흐름 유로를 갖는 셀 적층형 단극식 격막 전해장치.
5. 제 1 항에 있어서;

   상기 평판형 전극, 개스킷, 셀프레임, 격막 및 말단프레임에는 가이드봉이 삽입되는 가이드봉 관통구와, 결합봉이 삽입되는 결합봉 관통구가 형성된 것을 특징으로 하는 전해액의 독립적 직렬 흐름 유로를 갖는 셀 적층형 단극식 격막 전해장치.

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