KR100845727B1 - 필터프레스 전해조를 위한 새로운 바이폴라 조립체 - Google Patents

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Abstract

그 두 면들이 각각 양극 및 음극 벽으로서 작용하는 단일 시트를 포함하고, 그 신뢰성을 향상시키는 그 구조를 크게 단순화하는 외주 플랜지들의 디자인을 특징으로 하는 필터프레스형 전해조들을 위한 바이폴라 조립체가 기술되어 있다. 외주 플랜지들은 단일 시트의 외주부를 절첩함으로써 얻어진 제 1 플랜지와, 사각형 단면을 갖는 튜브 또는 로드에 의해 형성된 제 2 플랜지로 이루어지거나, 대안적으로, 제 1 및 제 2 플랜지가 적절한 스트립들의 절첩에 의해 미리 형성되고, 후속하여, 단일 시트에 고정된다. 다수의 본 발명의 조립체들의 조립으로부터 초래하는 전해조는 특히 염소 방출 양극들과 수소 소비 음극들로 수행되는 염화수소산 용액들의 전해 프로세스에 적합하다.
필터프레스형 전해조, 외주 플랜지들, 바이폴라 조립체, 시트, 메시

Description

필터프레스 전해조를 위한 새로운 바이폴라 조립체{New bipolar assembly for filter-press electrolyser}
본 발명은 필터프레스 전해조(filter-press electrolyser)를 위한 새로운 바이폴라 조립체에 관한 것이다.
하기의 설명에서, 염화수소(HCl) 산은 다수의 산업적 프로세스들에 의해 대량으로 생성되는 중요한 부산물이며, 이런 산업 프로세스들 중에는 폴리염화비닐(PVC; polyvinylcholoride)로의 중합이 이어지는 디클로로에탄 피롤리시스(dichloroethane pyrolisis)에 의한 염화비닐의 합성 및 글리콜과 반응하여, 냉장고들 및 건물들의 벽들을 위한 단열재 같은 단열 시스템들용으로 높이 평가되는 확장된 셀 재료들 및 페인트들의 제조에 점점 더 많이 사용되는 폴리우레탄 일족을 얻을 수 있게 하는 몇몇 이소시아네이트의 합성이 특히 중요하다. PVC 및 폴리 우레탄들의 전세계적인 지속적 제조량 확대는 HCl 시장의 과포화(over-saturation)를 초래하고 있으며, 이는 가까운 미래에 보다 심화될 것이며, 새로운 플랜트들의 건설을 위협하게 될 것이다. 이런 어려운 시장의 상태들에 구속되지 않기 위해서, 오래전부터 염화 비닐 합성 유닛들의 내부에, 산염화 유닛들이 설치되어 왔으며, 그 내부에서, 피롤리시스-생성 HCl은 에틸렌 및 산소와 반응하여 피롤리시스로 되돌아가는 디클로로에탄을 생성한다. 따라서, 폐쇄 HCl 루프가 생성되지만, 그러나, 안전성(산소의 사용으로 인한 폭발성 혼합물들의 형성 가능성) 및 폐기가 곤란한 부산물들의 생성의 다수의 문제점들을 수반한다.
최근 또한, PVC와 이소시아네이트(isocyanate)/폴리우레탄(polyurethane) 플랜트의 두 플랜트들이 적절한 근접도로 설치되는 경우에, 이소시아네이트 제조로부터 초래하는 HCl은 산염화 유닛들로 보내진다. 이 해법은 이소시아네이트 플랜트 관리자들에게는 바람직하지 못하며, 그 이유는 이런 통합구조에서, 계획된 가동중단들(shut-downs)(일반적으로, 폴리우레탄 시장의 주기성과 일치하지 않는 PVC 시장의 주기성에 관련하여) 및 비의도 가동중단들 양자 모두에 관련하여 그 제조가 실질적으로 PVC 플랜트에 의존하여 이루어지기 때문이다.
비록, 산업적 상황이 현재까지 부산물(HCl)의 용도의 문제들에 맞설 수 있어왔지만, 그러나, 일반적으로, 플랜트들의 현재 주장은 만족과는 거리가 멀고, 혁신적인 프로세스 대안들에 대한 요구가 존재한다는 것은 의심할 바 없다. 이들 대안들 중 특히 중요한 하나는 새로운 염소의 생성이 주 플랜트로 재순환되는 HCl 전해에 의해 대표된다.
이런 전해는 각각 가스상 염화수소산(이는 HCl이 디클로로에탄 피롤리시스 및 이소시아네이트 합성에 의해 형성되는 물리적 상태임) 또는 가스상 HCl을 물 공급식 흡수 컬럼(column)으로 보냄으로써 얻어지는 HCl 수용액의 이용에 기초한 두가지 기술들에 따라 수행될 수 있다. 이런 컬럼은 수성 용액이 실질적으로 상업화가 이루어질 수 있는 유일한 길이기 때문에, 부산물로서 HCl을 생성하는 플랜트들에 통상적으로 존재하는 장비이다.
미국 DuPont에 의해 출원된 PCT 공보 WO95/44797호에 기술된, 이미 설명한 바와 같이 가스상 산의 직접적 이용에 기초한 전자의 기술은 여전히 시스템의 극도의 침해성에 관련한 본질적인 몇몇 중요한 문제들에 대하여 아직 연구 중인 상태이다. 산의 수용액들을 사용하는 후자의 기술은(Hoechst-Bayer-Uhde 프로세스라 알려짐)일부 산업적 실현체들에 적용되었지만, 잠재적 고객들에게 기대한 인정을 받지는 못하고 있다. 이 현저한 실망의 이유들은 주로, 하기와 같은 구조로 표현되는, HCl을 염소와 수소로 변환시키는 반응과 연계된 자유 에너지로 인한 근본적으로 높은 에너지 소모에 있다.
2HCl →Cl2 +H2
이보다 덜하지 않은 다른 이유는 그 바이폴라 판들이 위험할 정도로 약한 가스 불투과성 흑연 시트(sheet)들로 구성되어야만 하거나, 흑연 분말들과 일반적으로는 불화 폴리머인 화학적 불활성 중합 바인더의 분말들의 혼합물을 고온에서 가압함으로써 얻어지는 합성 시트들로 이루어지는 전해 셀들에 의해 요구되는 높은 자본 투자에 의해 주어진다.
이들 문제점들을 부분적으로 극복하기 위해서, 예로서, General Electric Co.에 의해 수소 방출 음극을 산소 소비 음극로 교체하는 것이 제안되었다.
이 경우에, 전체 전자화학 반은 하기와 같이 되게 된다.
2HCl +1/2 O2 →Cl2 + H2O
대응 자유 에너지는 수소를 방출하는 일 반응에 비해 실질적으로 보다 낮으며, 이는 1000-1100 kW/ton까지 전기에너지 소모를 감소시킨다. 그러나, 비용 투자의 부담은 여전히 높은 상태로 바뀌지 않고 남아 있으며, 그 이유는 구성 재료들이 여전히 흑연 또는 흑연 합성물들에 기초하는 것들이기 때문이다. 경제적 가능성의 조건들을 향한 관련 단계가 US 5,770,035 호에 기술되어 있으며, 이 산소-소비 음극을 채용하는 염화수소산 수용액들의 전해 프로세스는 그 음극 및 양극 콤포넌트 양자 모두가 동일한 금속, 특히, 티타늄 또는 그 합금 같은 밸브 금속으로 구성되는 셀내에서 수행된다. 필터프레스라 공지된 배열에 따라 적층된 다수의 셀들 또는 바이폴라 조립체들은 진정한 산업적 생산 유닛인 전해조를 구성한다.
보다 전통적인 디자인에 따라서, 두 인접 셀들의 양극 및 음극 격실(compartment)의 두 벽들은 적절한 압축(본 기술분야의 숙련자들에게 "단일 셀(single cell)"이라 알려진 개념)에 의해, 또는 너트들 및 볼트들 또는 용접들 같은 적절한 클램핑 소자들에 의한 연결을 통해 (바이폴라 조립체들)기계적 및 전기적 접촉을 하게 될 수 있다. 마지막 경우에 있어서, 음극 및 양극 격실이 동일 금속으로 이루어져 있다는 사실은 실질적으로 제조 절차들을 용이하게 하고, 보다 흥미롭게, 음극과 인접 양극이 그 두 면들이 종래의 기술의 두 개의 분리된 인접한 벽들의 기능을 커버하는 단일 벽에 의해 분리되는 새로운 유형의 디자인을 가능하게 한다. 이 유형의 구조는 티타늄 및 그 합금 같은 고가의 재료의 사용을 최소화하며, 부정할 수 없는 관련된 경제적 장점을 가지며, 이는 US 5,770,035 호에 매우 개괄적인 용어들로 개요설명되어 있다.
그럼에도 불구하고, 두 음극 및 양극 격실들이 처리 유체들의 누설을 억제하 는 적절한 개스킷(gasket)들과 협력 동작하여, 이를 밀봉할 수 있게 하는 외주 플랜지(peripheral flange)들을 구비해야 한다는 것에 의해 이 유형의 디자인의 채용에 대한 제약이 주어진다. 공지된 제조 절차들에 따르면, 외주 플랜지들은 사실 격실 벽들을 구성하는 시트들의 절첩 또는 프레스 성형 중 어느 한쪽에 의해 얻어지며, 이런 작업은 각 벽이 단지 그 플랜지, 양극 또는 음극 각각만을 형성하도록 기능하기 때문에, 일반적으로 불충분한 평활도 또는 기계적 결함으로 인한 불량들을 적은 비율로 초래하여 일반적으로 만족스럽다. 반대로, 두 음극 또는 양극 격실들의 단일 벽을 이용한 분리의 경우에, 공지된 절차들에 따라 동작시, 이 벽은 이중 성형을 받아야만 하며, 그 이유는 플랜지들, 음극 및 양극이 동일 벽의 필수적 부품들이기 때문이다. 이들이 프레스 성형 또는 절첩에 의해 수행된다는 사실과는 무관하게, 이중 성형은 재료에 높은 기계적 응력들을 도입하여, 빈번한 허용 불가한 평활도 및/또는 균열 같은 결함들을 형성한다. 따라서, 인접 음극 및 양극 격실의 분리벽이 유일무이하고, 두 개의 플랜지들, 음극 및 양극을 가지며, 높은 평활도와 기계적 결함들이 없다는 것을 특징으로 하는 필터프레스 전해조들을 위한 바이폴라 조립체들을 양호한 신뢰도로 제조할 수 있게 하는 디자인들 및 제조 기술들을 개발할 현저한 필요성이 존재한다.
제 1 양태에서, 본 발명은 내부식성 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 음극 벽 및 양극 벽의 이중 기능을 갖는 단일 분리 시트를 포함하며, 양극 외주 플랜지 및 음극 외주 플랜지를 구비하고, 상기 외주 플랜지들 중 적어도 하나는 미리 형성된 소자로 이루어지고, 프레스 성형 또는 분리벽의 절첩에 의해 이루어지지 않는 바이폴라 조립체들의 디자인을 기술한다.
양호한 실시예에서, 음극 및 양극 외주 플랜지는 로드 또는 튜브로 이루어진 프레임과 시트의 외주부의 절첩(folding)을 조합함으로써 얻어지고, 사각형 단면을 갖는 양자는 상기 시트의 것과 동일한 유형의 재료로 이루어진다.
다른 양호한 실시에에서, 플랜지들 중 하나는 시트의 외주부를 절첩함으로써 얻어지고, 나머지는 시트 자체에 용접된 미리 형성된 플랜지이며, 두 플랜지들 사이에 보강 소자가 개재되는 것이 적합하다. 다른 양호한 실시예에서, 양극 외주 플랜지 및 음극 외주 플랜지는 일반적으로 상기 분리판에 용접된, U-형 미리 형성 일체형 소자를 구성하며, 보강 소자(reinforcing element)는 양극 및 음극 외주 플랜지 사이에 개재되는 것이 적합하다. 미리 형성된 일체형 소자는 두 개의 미리 형성된 플랜지들을 용접함으로써 또는 제 2 시트를 절첩함으로써 얻어진다. 다른 양태에서, 본 발명은 하나 이상의 전극, 바람직하게는 시트의 두 양극 및 음극 면들에 고정된 한쌍의 전극들을 포함하는 바이폴라 조립체의 촉매 활성화 방법에 관한 것이다. 양호한 실시예에 따라서, 촉매 활성화를 받는 상기 바이폴라 조립체는 새롭게 제조된 조립체이다.
다른 양호한 실시예에 따라서, 상기 바이폴라 조립체는 소모된 그 촉매 활성도가 재활성화에 의해 복원된, 전해조내에서 이미 동작된 이미 촉매작용된 조립체이다.
다른 양태에서, 본 발명은 상술한 실시예들 중 하나에 따른 다수의 바이폴라 조립체들을 포함하는 전해조에 관한 것이다.
비록, 다수의 산업적 관심 분야들에 적합하지만, 이 유형의 구성은 인접 음극 및 양극 격실들이 밸브 금속 예로서, 티타늄 또는 티타늄 합금의 단일 시트으로 구성되는 산소-소비 음극들을 채용하는 염화수소산 수용액들의 전해의 경우에 특히 양호한 결과를 초래한다.
도 1은 두 개의 벽들, 즉, 양극 및 음극이 분리되어 서로 고정되어 있으며 외주 플랜지가 종래 기술에 설명된 바와 같이 각 벽의 절첩에 의해 실현되어 있는 바이폴라 조립체의 단면을 나타내는 도면.
도 2는 그 양극 및 음극 벽들이 단일 시트으로 이루어지고, 두 외주 플랜지들이 종래 기술의 절차들에 따라 실현된 바이폴라 조립체의 단면 개요도.
도 3은 그 양극 및 음극 벽들이 단일 시트으로 이루어지고, 두 개의 외주 플랜지들이 본 발명의 제 1 실시예에 따라 시트의 외주부의 절첩에 의해 제조되어 있으며, 양자 모두 사각형 단면을 갖는 로드 또는 튜브가 프레임을 형성하는 방식으로 작용하며, 단일 판으로 이루어진 것과 동일한 유형의 재료로 이루어져 있는 바이폴라 조립체의 단면을 도시하는 도면.
도 4는 그 벽들이 단일 시트으로 이루어지고, 두 개의 외주 플랜지들이 본 발명의 제 2 실시예에 따라 각각 시트의 외주부의 절첩 및 시트의 것과 동일한 재료로 이루어진 미리 형성된 플랜지의 용접에 의해 제조되어 있는 바이폴라 조립체의 단면을 보여주는 도면.
도 5는 음극 및 양극 벽의 이중 역할을 갖는 시트가 그 외주부에서 절첩되지 않고, 시트의 것과 동일한 재료로 이루어진 U-형 단면을 갖는 단일 미리 형성된 프레임에 용접되어 있는 본 발명의 다른 실시예를 예시하는 도면.
도 6은 그 전환부(turn)에 시트가 용접되는 내부 에지를 구비한 U-형 단면을 갖는 부재(piece)를 형성하도록, 미리 형성된 프레임이 함께 용접된 두 개의 쉘들로 이루어져 있은 도 5의 실시예의 변형을 도시하는 도면.
도 7은 천공된 또는 확장된 시트들 또는 메시(meshe)들 형태의 지지부들 및 전극들로 완성된 도 3의 조립체의 개요도.
도 8A 및 도 8B는 두 개의 측면들로부터 본 도 7의 조립체의 3차원 이미지를 재현하는 도면.
이하, 본 발명의 몇몇 실시예들이 설명되며, 그 주 목적은 내부식성 금속들 또는 금속 합금들로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 양극 및 음극 벽의 이중 역할을 갖는 단일 시트를 포함하는 필터프레스 전해조를 위한 바이폴라 조립체의 새로운 단순하고 보다 신뢰성있는 디자인이며, 이 종류의 디자인은 염화수소산 수용액들의 전해에 적합한 전해조들에 특히 유용하지만, 그럼에도 불구하고, 양극 및 음극 격실들 사이의 단일벽 분리부를 포함하는 다양한 바이폴라 조립체들과 함께 제조될 수 있는 전해조들에 대해서도 범용적 활용도를 가진다. 단지 다른 응용분야의 예로서, 알칼리수 전해(alkaline water electrolysis)를 위한 전해조들이 예시된다.
도 1 및 도 2는 양극 및 음극 벽들이 두 개의 별개의 시트들 및 단일 시트로 각각 이루어져 있은 종래 기술에 따른 디자인에 대응하는 바이폴라 조립체의 두 단면들을 도시한다. 특히, 도 1에서, 조립체의 주 구성 요소들이 표시되어 있으며, 여기서, 1 및 2는 별개의 양극 및 음극 벽이고, 3은 전류의 통과를 허용하기 위해 필요한 전기 도전성 및 기계적 안정성을 보증하기 위해 제공된 용접부들이며, 4는 양극 플랜지의 표면이고, 5는 음극 플랜지의 표면이며, 6은 플랜지들이 변형들 및 굴곡들이 발생하지 않고 압축될 수 있는 것을 보증하기에 적합한 금속 또는 플라스틱 재료 로드로 이루어진 외주 보강 소자이며, 7은 각각 양극(좌측) 및 음극(우측) 개스킷들이며, 이는 압축하에 양 플랜지들의 외주면을 밀봉하여 양극 및 음극 격실들내에 수납된 유체들의 누설을 방지한다.
도 2에는 인접 양극 및 음극 격실들의 두 벽들이 단일 시트에 의해 구성되어 있은 경우의 종래 기술에 따른 실시예가 개요도로 그려져 있다. 이 종류의 구성에 기초하면, 단일 시트으로 이루어진 외주부는 외주 보강 소자 둘레로 적어도 5 또는 바람직하게는 도면에 도시된 바와 같이 6번의 순차 절첩들을 받아 양극 및 음극의 두 플랜지면들을 형성한다. 특히, 1은 도 1의 벽들(1 및 2)의 역할들을 동시에 관할하는 단일 시트가고, 4는 양극 플랜지면이고, 5는 음극 플랜지면이고, 6은 도 1의 것과 동일한 기능들을 갖는 외주 보강 소자이며, 7은 양극 및 음극 개스킷들이며, 8은 음극 격실(도면에서는 우수측)로부터의 유체의 침투를 방지하는 목적을 갖는 시트의 절첩부의 자유 에지를 고정하기 위한 용접부이다. 이 유체는 부식성일 수 있고, 외주 보강 소자(6)와의 그 접촉부는 내부식성 재료, 따라서, 본질적으로 고가인 재료로 구성될 수 밖에 없을 수 있다. 소자(6)가 침해 유체와의 접촉으로부터 안전히 보호되는 경우에, 구성 재료는 값싼 탄소강이될 수 있다.
도 2의 조립체는 고가의 재료, 예로서, 염화수소산 용액 전해의 경우에는 티타늄 및 그 합금으로 이루어진 단일 판을 사용하여 기계적 조립체 및 전기 전도성의 도 1의 용접부들(3)을 제거할 수 있게 하기 때문에, 도 1의 종래 기술에 따른 보다 통상적인 유형의 구조에 비해 특히 유리하다. 그러나, 조립체는 시트의 동일 외주부를 사용하여 두 개의 양극 및 음극 플랜지 표면들을 형성하기 위해 소요되는 다수의 절첩부에 의해 단점을 가지며, 이런 종류의 절첩은 형성이 매우 복잡하며, 결함을 형성하여 결과적으로 생산 품질 제어시 허용 불가한 비율의 불량품 발생시킬 수 있는 높은 기계적 응력들을 유발한다.
도 3은 두 인접 양극 및 음극 격실들의 벽들이 단일 시트(1)로 이루어지고, 단지 양극 플랜지의 표면(4)을 형성하도록 상기 단일 시트(1)의 외주부가 절첩되며(염화수소산 용액 전해의 경우에 양호한 바와 같이, 그러나, 단지 형성되는 플랜지면은 음극 표면인 대안도 배제하지 않음), 상기 단일 표면은 내부식성 재료로 구성된 프레임(14)에 용접되어 있는 조립체로 이루어진 본 발명에 따른 제 1 실시예를 도시한다. 특히, 프레임(14)은 내부식성, 따라서, 고가의 재료의 양을 감소시키기 위해 다각형 단면, 바람직하게는 사각형을 갖는 로드 또는 바람직하게는 튜브로 이루어지며, 또한, 용접부(9)는 선택적으로 외부 환경에 대하여 음극 격실내에 수납된 유체의 가능한 누설에 대한 보다 높은 신뢰성을 보증하기 위해 도면에 도시된 바와 같이 선택적으로 이중 용접될 수 있다.
본 발명에 따른 제 1 구성 대안은 특히, 시트의 재료에 결함들을 생성하지 않을 수 있는 매우 낮은 레벨들 이내로 기계적 절첩 응력들을 유지할 수 있게 한다. 용접부 또는 용접부들(9)의 품질, 적절한 속도들 및 제조 비용들은 특히 레이저 기술에서 현대의 자동화된 용접 기술들에 의해 다양한 부재들을 위해 적합한 클램핑 장비에 의해 보증된다. 도 3을 검토하면, 절첩된 시트-프레임 조립체는 이는 처리 액체가 침투 및 정체되는 균열(15)을 생성한다는 것을 인지할 수 있으며, 이 상황은 이런 액체가 클로라이드들을 포함하는 특정 경우, 특히, 염화수소산 용액 전해의 경우에 발생하기 쉬운 바와 같이 상온 보다 높은 온도에 있으면서 산성인 경우를 제외하면, 일반적으로 소정의 특정 불편함을 유발하지 않는다. 이 상황에서, 균열 영역에 국한된 부식성 침해가 사실 발생할 수 있다. 이 유형의 침해에 대한 보호는 균열 영역에 대해 얇은 보호막을 적용하거나, 예로서, 상술한 염화수소산 용액 전해의 경우에, 티타늄 대신 예로서, 티타늄-0.2% 팔라듐 합금 같은 보다 높은 내성을 특징으로하는 재료를 선택하는 것 중 어느 한쪽이 실행된다. 전자 화학 기술에서 널리 알려진 이들 막들은 백금, 루테늄 또는 이리듐이나 그 산화물들 같은 소량의 귀족 금속들을 함유하는 것이 일반적이다.
상술한 보호 조치들은 도 3의 조립체에 부가적인 제조 비용을 구성하지 않으며, 이들은 사실 동일 플랜지들의 표면의 결함으로부터 일반적으로 발생되는 개스킷들(7)과의 열악한 접착으로 인하여, 그 위에 매우 위험한 균열이 형성될 수 있는 플랜지들(4 및 5)의 표면상의 부식의 위험들을 없애기 위한 소정의 경우에 적용되어야만 한다. 달리 말해서, 플랜지 표면들을 보호하기 위해 적절한 수단의 적용은 특정 부가적인 비용들 없이 균열 영역(15)에 대하여 동일한 수단의 적용으로 동시에 수행될 수 있다할 수 있다.
도 4는 내부식성 재료로 이루어진 사각형 단면을 가진 튜브 또는 로드로 이루어진 프레임(14)의 사용을 회피하는 목적을 갖는 도 3의 실시예의 변형을 도시한다. 항상 단면으로 도시된 조립체는 도 3에 이미 도시된 바와 같이 양극 플랜지(4)만을 형성하기 위해 절첩된 외주부를 갖는 단일 시트(1)을 역시 포함하며, 내부식성 재료의 프레임(14)이 음극 플랜지로서 작용하는 부가적인 미리 형성된 플랜지(5)로 대체되고, 자동화된 절차, 바람직하게는 레이저 기술로 수행되는 용접(10)을 통해 시트(1)에 용접되는 점이 상이하다. 선택적으로, 용접부(10)는 이중 용접으로서 실현될 수 있다(도면에는 미도시). 외주 보강 소자는 어떠한 부식성 유체와도 접촉하지 않으며, 따라서, 저가 재료, 예로서, 탄소강으로 제조된다.
도 3의 조립체에 비하여, 도 4의 실시예는 다른 한편으로는 부재의 최종 평활도에 관하여 보다 취급이 곤란한, 고가 재료를 절감할 수 있게 하고, 이는 전해조의 조립을 용이하게 하는데 중요하다.
도 4의 조립체의 다른 구성가능한 대안이 도 5에 주어져 있으며, 이는 단일 시트(1)이 그 외주부에서 절첩되지 않고, 양극(4) 및 음극(5) 플랜지들의 두 표면들이 용접(11)으로 단일 시트에 용접되어 있는 U-형 단면을 갖는 미리 형성된 외주 소자에 의해 얻어진다. 도 4의 조립체에서 발생하는 것과 유사하게, 보강 소자(6)의 구성 재료는 임계적이지 않으며, 탄소강이 전체적으로 적합할 수 있다.
도 4의 조립체에 비해, 도 5에 예시된 해법은 동일한 고가 재료량의 감소를 특징으로 하며, 이에 부가하여, 보다 쉽게 양호한 최종 평활도를 얻을 수 있게 한다. 반대로, 시트의 에지가 직선이고 절삭 가시부들(barbs) 같은 불완전성이 없어야 하며, U-형 단면을 갖는 미리 형성된 부재 및 시트의 에지가 레이저 기술 같은 자동화된 유형으로 이루어져야만 하는 용접의 실행 동안 서로 완전히 부착될 필요가 있다는 사실에서, 용접(11)의 실행은 고품질 용접부를 획득하기 위해 비교적 임계적이다. 도 5의 조립체의 "생리적" 불편은 이중 용접 같은 용접(11) 실행의 불가능성에 의해 주어지지만, 그러나, 두께-관통 다공부들 같은 용접(11)의 결함들은 외부 환경을 향한 누출이 아닌 적어도 부분적으로 허용가능한 두 개의 양극 및 음극 인접 격실들 사이의 유체 통로를 결정한다.
마지막으로, 도 6은 도 5에 관하여 설명된 U-형 단면을 가진 외주 부재가 단 두 개의 절첩부들을 가진 두 개의 금속 스트립들로부터 얻어진 두 개의 쉘들을 용접함으로써 예비제조되는 본 발명의 실시예를 단면으로서 개요적으로 도시하며, 여기서, 두 쉘들의 조립 용접부(12)는 단 하나이거나 침투에 대하여 높은 신뢰성을 보증하기를 원하는 경우에는 이중일 수 있다. 이렇게 예비제조된 소자는 높은 평활도를 얻기 위해 예로서, 프레스에서 가공된다. 이 부재는 용접부(12)에 대해 돌출하는 자유 에지를 제공하며, 그 요구 조건들이 직선으로 이루어지고, 절삭 가시부들 같은 결함들이 없어야 하는 것인 이 에지는 시트(1)의 에지에 헤드-대-헤드 용접된다(용접부(13)).
본 유형의 실시예는 주로 용접(12)의 실행에 의해 대표되는 부가적인 단계들 및 용접 절차에 의해 유발되는 변형들 이후에 필요한 부재 평활도를 복원하기 위한 프레싱 때문에 도 5에 기술된 것에 비해 덜 유리하지만, 한편, 프레스 가공은 역시 용접(13) 실행 이후에 적절한 평활도를 보증한다. 그러나, 도 5의 조립체의 용접(11) 같이 불가피하게 단 하나인 이 최종 용접은 실행이 보다 용이하다(결합 대상 두 에지들은 헤드-대-헤드 위치에 있지만, 도 5의 조립체에서 U-형 단면을 가진 외주 부재의 표면 및 시트의 에지는 90°로 배치된다). 이 실행의 용이성은 한편으로는 상술한 바와 같이 적어도 부분적으로 허용가능 결함들이 존재하지 않을 높은 가능성을 보증한다.
이전 경우들에서와 같이, 역시 본 경우에서는 바람직하게는 레이저 기술을 사용하여 자동화된 유형으로 용접이 이루어지는 것이 매우 적합하다.
도 3, 도 4, 도 5 및 도 6에서 개요설명된 조립체들은 상대적 양극들 및 음극들로 완성되어야만 하며, 이들은 일반적으로 바람직하게는 전해질 재료의 얇은 표면막을 구비한 내부식성 금속 또는 금속 합금으로 이루어진 천공된 또는 확장된 시트들 또는 매시들에 의해 구성되는 것이 일반적이다.
도 7은 양극(17)와 음극(18)가 고정, 예로서, 바람직하게는 용접에 의해 벽(1)에 연결되어 있은 적절한 지지부들(16)상에 용접에 의해 설치되어 있는 도 3의 조립체의 단면을 재현한다. 구조의 보다 양호한 이해를 위해, 도 7의 조립체는 도 8A(양극측으로부터 본 도면) 및 도 8B(음극측으로부터 본 도면)에서 3 차원 표현으로 재현되어 있다.
종래 기술에서, 지지부들(16)에 고정하기 이전에, 천공된 또는 확장된 시트들 또는 메시들(17 및 18)상에 전해질 재료의 막을 적용하는 것이 일반적이며, 이 절차가 기반하는 이유는 주로, 400 내지 500℃의 범위의 전해질 막의 적용을 위해 필요한 온도에 의해 주어진다. 시트들 또는 메시들이 전해질 막의 적용 이전에 지지부들(16)에 고정되는 경우에, 후속 어플리케이션은 전체 조립체를 필수적으로 400-500℃의 온도들에 노출시켜, 확실히 다양한 구성 재료들(양극 격실 재료, 음극 격실 재료, 외주 보강 소자 재료)의 서로 다른 열 팽창 계수들로부터 발생하는 중요한 왜곡들(평활도 손실들)이 발생하게 한다. 한편, 이미 전해질 막을 구비한 시트들 또는 메시들의 용접에 의한 고정은 용접 영역들에서 전해질 막 재료가 용융된 영역내에 매립되게되어 오염이 가능하고, 결과적으로 다공부 및/또는 취성 같은 결함들이 생성되기 때문에, 오히려 임계적이다.
이 절차-시트들 또는 메시들에 대한 전해질 막의 적용 및 후속하는 조립체들의 지지부들(16)에 대한 그 용접-가 새로운 조립체의 구성 위상에서 허용가능하지만, 이는 전해질 막들이 전해 동안 점진적 소모를 받게 되기 때문에, 주기적으로 취해질 필요가 있는, 매우 성가신 소위 "재활성화(reactivation)" 위상을 초래한다. 전해질 막이 보다 낮은 동작 전압, 따라서, 보다 낮은 전기 에너지 소모를 보증하기 때문에, 따라서, 이는 그 재생을 진행하기 위해 필요하다.
전해질 재료들의 적용에 의해 필요한 고온에 조립체들을 노출시킬수 없다는 사실은 소모된 시트들 또는 메시들이 지지부들(16)로부터 분리되어야만 하고, 이 작업은 시간 소모적이며, 이는 종종 시트들 또는 메시들에 이런 손상들을 유발하여 그 교체를 강요하게 된다는 것을 의미한다.
상술한 문제는 도 1, 도 2, 도 4, 도 5 및 도 6에 개요설명된 구조들에 관련하지만, 그 서로 다른 부품들이 모두 동일 재료로 제조되는 도 3의 구조체는 제외된다. 따라서, 도 3의 조립체는 동일한 열 팽창 계수를 갖는 부품들로 이루어지는 것을 특징으로 하며, 따라서, 조립체는 왜곡의 위험 없이 고온에 노출될 수 있다. 이 특징의 중요한 결과는 새로운 조립체들은 전해질 막들이 없는 시트들 또는 메시들을 구비할 수 있다는 것이며(지지부들(16)에 대한 용접부들의 현저한 단순화로), 후속 위상에서, 전체 조립체들이 비교적 고온을 동반하는 전해질 막들을 시트들 또는 메시들에 적용하는 절차를 전체 조립체가 받게된다. 소모된 조립체들의 "재활성화"는 마찬가지로 실행되며, 특히, 소모된 조립체들은 예로서, 샌드블라스팅 또는 화학적 세척에 의해 잔류물들을 소거하도록 처리되고, 그후, 새로운 조립체를 위해 사용되는 것에 정확히 일치하는 절차에 따라 새로운 막들의 적용을 받게 된다.
천공된 또는 확장된 시트들 또는 메시들을 포함하는 조립체들에 전해질 막들을 적용하는 것의 부가적인 장점은 기존에 종래기술에 따른 막을 구비한 시트들 또는 메시들상의 고정 용접부들에 의해 필수적으로 유발되는 막들에 대한 손상들이 없다는 것에 의해 주어진다.

Claims (22)

  1. 내부식성 금속들(corrosion resistant metals) 또는 금속 합금들의 그룹으로부터 선택된 금속 또는 금속 합금의 단일 시트를 포함하는 필터프레스형 전해조를 위한 바이폴라 조립체로서, 상기 단일 시트의 두개의 측면들은 각각 양극 벽 및 음극 벽으로서 작용하고, 상기 단일 시트는 두개의 외주 플랜지들(perimetral flanges)을 구비하며, 상기 플랜지들 중 적어도 하나는 상기 단일 시트와 일체가 아닌 미리 형성된 소자인, 상기 바이폴라 조립체에 있어서,
    미리 형성된 소자로 이루어진 상기 적어도 하나의 플랜지는 상기 단일 시트의 금속들 또는 합금들의 동일 그룹의 금속 또는 금속 합금의 다각형 단면을 갖는 로드 또는 튜브에 의해 형성된 프레임으로 이루어지고, 다른 플랜지는 상기 프레임에 고정되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다른 플랜지는 연속적 용접(welding)에 의해 상기 프레임에 고정되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  3. 내부식성 금속들 또는 금속 합금들의 그룹으로부터 선택된 금속 또는 금속 합금의 단일 시트를 포함하는 필터프레스형 전해조를 위한 바이폴라 조립체로서, 상기 단일 시트의 두개의 측면들은 각각 양극 벽 및 음극 벽으로서 작용하고, 상기 단일 시트는 두개의 외주 플랜지들을 구비하며, 상기 플랜지들 중 적어도 하나는 상기 단일 시트와 일체가 아닌 미리 형성된 소자인, 상기 바이폴라 조립체에 있어서,
    상기 미리 형성된 소자로 이루어진 적어도 하나의 플랜지는 상기 단일 시트의 금속들 또는 합금들의 동일 그룹의 금속 또는 금속 합금의 스트립을 절첩(folding)함으로써 얻어지고 연속적 용접에 의해 상기 단일 시트에 고정되며, 다른 플랜지는 상기 단일 시트의 절첩에 의해 얻어지며, 상기 적어도 하나의 플랜지와 상기 다른 플랜지 사이에 외주 보강 소자가 개재되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  4. 내부식성 금속들 또는 금속 합금들의 그룹으로부터 선택된 금속 또는 금속 합금의 단일 시트를 포함하는 필터프레스형 전해조를 위한 바이폴라 조립체로서, 상기 단일 시트의 두개의 측면들은 각각 양극 벽 및 음극 벽으로서 작용하고, 상기 단일 시트는 두개의 외주 플랜지들을 구비하며, 상기 플랜지들 중 적어도 하나는 상기 단일 시트와 일체가 아닌 미리 형성된 소자인, 상기 바이폴라 조립체에 있어서,
    상기 미리 형성된 소자는 외주 보강 소자를 둘러싸는 U-형 단면을 갖는 단일 외주 부재를 구성하는 상기 두 개의 외주 플랜지들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 외주 부재는 상기 단일 시트의 금속들 또는 합금들의 동일 그룹의 금속 또는 금속 합금의 스트립을 절첩함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 외주 부재는 연속적 용접에 의해 상기 단일 시트에 고정되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 외주 부재는 하나의 에지를 구비하는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 외주 부재는 두 개의 미리 형성된 플랜지들의 연속적 용접에 의해 얻어지고, 상기 에지는 연속적 용접에 의해 상기 단일 시트에 결합되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  9. 제 2 항, 제 3 항, 제 6 항 또는 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연속적 용접은 레이저 용접인 것을 특징으로 하는 바이폴라 조립체.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외주 플랜지들은 하나의 음극 플랜지와 하나의 양극 플랜지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 플랜지들 및 상기 단일 시트의 구성 재료들은 밸브 금속들(valve metals) 및 그 합금들 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 양극 플랜지 및 상기 단일 시트는 티타늄 합금으로 이루어지고, 상기 음극 플랜지는 티타늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 음극 플랜지, 상기 양극 플랜지 및 상기 시트는 티타늄으로 이루어지고, 상기 플랜지들 중 적어도 하나는 균열 부식(crevice corrosion)에 대한 보호 코팅을 구비하는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  14. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단일 시트의 상기 측면들에 고정된 지지부들과, 그 선회부에서 상기 지지부들에 고정된 하나의 양극 및 하나의 음극을 더 포함하고, 상기 양극과 상기 음극은 전해질 재료들의 전구체(precursor) 혼합물들을 포함하는 페인트를 도포하고, 상기 페인트를 상기 재료들로 변환하기 위해 필요한 후속하는 열처리에 의해 얻어진 상기 전해질 재료들을 포함하는 막들을 구비한 천공된 또는 확장된 시트들 또는 메시들로 이루어지며, 상기 페인트의 도포는 상기 지지부들상에 대한 그 고정 이후 상기 시트들 또는 메시들 상에서 실행되고, 이 전체 조립체가 상기 열처리를 받게되는 것을 특징으로 하는, 바이폴라 조립체.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 전해 프로세스들에 적합한 필터프레스형 전해조에 있어서,
    청구항 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 조립체들로 이루어진 것을 특징으로 하는, 필터프레스형 전해조.
  18. 필터프레스형 전해조에서의 수성 용액의 전해 프로세스에 있어서,
    상기 전해조는 청구항 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 적어도 하나의 바이폴라 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 전해 프로세스.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 수성 용액은 염화수소산 용액이고, 상기 전해는 염소 방출을 위한 양극들 및 산소 소비 음극들로 수행되고, 상기 외주 플랜지들 및 상기 단일 시트의 상기 금속 또는 합금은 티타늄 또는 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는, 전해 프로세스.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 전해는 알칼리수 전해인 것을 특징으로 하는, 전해 프로세스.
  21. 삭제
  22. 삭제
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