KR100932343B1 - 전기화학 공정에서 공정 가스의 재순환 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 가스 확산 전극을 사용하는 전기화학 공정에서 배출물을 함유하는 공정 가스 (잔여 가스)를 상기 전기화학 공정으로 직접 재도입시키기 위한 가스 제트 펌프를 이용하여 상기 잔여 가스를 재순환시키는 방법에 관한 것이다.

전기화학 공정, 가스 확산 전극, 기제 제트 펌프, 잔여 가스, 재순환

Description

전기화학 공정에서 공정 가스의 재순환 방법 {Method for Recycling Process Gas in Electrochemical Processes}

본 발명은 가스 확산 전극을 사용하는 전기화학 공정에서 공정 가스의 재순환 방법에 관한 것이다.

여러 화학 공정에서는 화학량론적 과량의 가스를 공급하는 것이 필요하다. 화학량론적 과량의 공급 가스는 예를 들어 가스 확산 전극을 기재로 하는 전기화학 전지를 사용하는 경우에 필요로 된다.

여러 전기화학 공정에서 가스 확산 전극의 사용은 바람직하지 않거나 비경제적인 부산물을 피하는 대안적인 반응 경로를 가능하게 한다.

가스 확산 전극의 한 예는 산소 소모형 캐쏘드 (cathode)이다. 이 전극은 전해질과 가스 공간 사이에 배치된 개공막이며, 촉매를 포함하는 전기전도층을 포함한다. 이러한 배열은, 전해질, 촉매 및 산소 사이의 3상 경계에서 산소의 환원이 가능한한 전해질쪽에 가까운 곳에서 일어나도록 하는 것을 보장한다. 예를 들어 US-A-4 657 651호에 기재된 바와 같이, 산소 소모형 캐쏘드는 예를 들어 알칼리 금속 할로겐화물의 전기분해에 사용된다.

산소 소모형 캐쏘드의 경우에는, 공급 가스로서 특히 산소를 첨가한다. 공지된 방법에서는, 산소를 여전히 함유하고 있는 생성된 잔여 가스를 공정으로부터 제거하여, 재사용하지 않고 배출 가스로 공급한다. 상기 절차의 단점으로는, 한편으로는 산소 소모량이 크다는 점과, 다른 한편으로는 잔여 가스가 환경으로 배출되기 전에 예를 들어 스크러빙 컬럼을 이용하는 성가신 클리닝이 요구된다는 점을 들 수 있다. 따라서, 산업적 규모로 실시하기 위해서는, 상당한 원료 비용이 수반될 뿐만 아니라, 배출 가스의 클리닝을 위한 특별한 방법 및 장비에 대한 요구 또한 커진다. 대안적으로, 잔여 가스를 재사용하기 위해 가공할 수도 있으나, 이 역시 스크러빙 컬럼 또는 필터, 및 공정으로 재순환시키기 위한 압축기를 필요로 한다. 압축기를 이용하여 공정으로 재순환시키는 것은, 잔여 가스 중에 염화수소 (HCl) 및 가능하게는 염소가 함유되어 있기 때문에, 고품질의 압축기 재료를 요하거나, 다르게는 재순환된 가스 흐름을 가성 소다 용액을 이용하여 연속 스크러빙하는 것을 요하며 이는 가성 소다 용액의 다량 소모를 수반한다.

또다른 공지된 접근법에서는, 여러 공정에서 과량의 공정 가스를 압축기 또는 송풍기를 이용하여 전기분해 공정으로 능동적으로 재순환시킨다. 상기 공정을 제어하는 데 있어서의 단점은, 투자, 작동 (예를 들어, 전기 에너지) 및 유지를 위한 경비가 크다는 것이다. 뿐만 아니라, 능동적 압축기는 복잡한 공정 제어 처리를 수반하는 보정 작업을 위해 모니터링되어야 한다.

마지막으로, 진공을 발생시키고 가스를 혼합하고 열을 회수하기 위한 가스 제트 펌프 (열 압축기/증기 압축기)를 이용하는 것이 공지되어 있다. 가스 제트 펌프는 부압을 발생시키는 운전 유체 펌프이며, 진공 펌프로서 사용하기에 특히 적합하다. 가스상의 운전 유체를 선택한 것을 제외하고는, 가스 유체 펌프는 액체 유체 펌프에 상응하는 것이다. 가능한 운전 유체의 한 예는 스팀이다.

본 발명의 목적은 상기한 단점이 없이 가스 확산 전극을 사용하는 전기분해 공정에서 잔여 가스를 재가공하는 방법을 제공하는 것이다. 특히, 공급 가스의 소모량이 감소되고, 필요한 스크러버의 규모 축소가 달성되어, 스크러빙 매질의 소모량이 감소되어야 한다. 또한, 비용 집약적 압축기의 사용 (투자, 작동 및 유지 비용)이 배제되어야 한다. 뿐만 아니라, 막과 민감한 가스 확산 전극에 대한 손상이 없어야 한다.

- 공정 압력을 초과하는 압력하에 가스 제트 펌프를 통해 공급 가스를 전기화학 공정으로 공급하는 단계,

- 상기 가스 제트 펌프에서 상기 공급 가스를 공정 압력으로 팽창시켜, 공정 압력보다 낮은 흡인 압력을 발생시키는 단계, 및

- 상기 가스 제트 펌프에서 발생된 흡인 압력을 이용하여 상기 공급 가스를 함유하는 공정 가스 (잔여 가스)를 흡기하고, 이 잔여 가스를 전기화학 공정으로 재순환시키는 단계를 적어도 포함하는,

하나 이상의 가스 확산 전극을 사용하는 전기화학 공정으로, 특히 전기분해 공정으로 공정 가스를 재순환시키는 방법을 발견하였다.

놀랍게도, 가스 제트 펌프의 사용이 어떠한 건조나 클리닝을 할 필요없이 공급 가스가 풍부한 잔여 가스를 공정으로 직접 재순환시키는 것을 가능하게 한다는 것이 밝혀졌다. 결과적으로, 심지어 지금까지 알려진 공정에서 요구되었던 공급 가스의 습윤화가 불필요하게 될 수 있다. 간단한 구조의 가스 제트 펌프는 고품질 의 재료를 비용 효율적으로 사용할 수 있게 한다. 사용되는 운전 유체는 공정에 필요한 공급 가스일 수 있다. 공급 가스의 소모량은 공정에 필요한 과량이 재순환된 잔여 가스를 통해 얻어지기 때문에 상당히 감소될 수 있다. 또한, 이는 필요한 스크러버의 규모를 축소시켜, 결과적으로 배출 가스를 위한 스크러빙 매질의 소모량을 감소시킨다. 재순환되는 가스 스트림의 유량 제어 및 제거되는 잔여 가스의 자유로운 방출의 결과로서, 또한 전기분해를 위한 전극 구획에서 막 및 전극 손상을 야기시킬 수 있는 과도한 압력 또는 압력 변동을 피할 수 있다.

본 발명의 중요한 측면은, 가스 확산 전극을 사용하는 전기분해 공정에서 생성되는, 지금까지는 배출 가스로서 배출되었던 과량의 잔여 가스를 공정으로 직접 재순환시킨다는 점이다. 그 결과, 민감한 가스 확산 전극의 작동이 손상받지 않고 공급 가스의 소모량이 감소된다. 바람직하게는, 전체 잔여 가스 스트림이 아니라 잔여 가스의 하부 스트림만이 배기 공기로 배출되어, 전기분해를 위한 전극 구획, 특히 캐쏘드 구획에서 막 및 전극 손상을 야기시킬 수 있는 불순물의 축적 및 과도한 압력 또는 압력 변동을 피하게 된다. 가스 제트 펌프의 사용은 어떠한 건조나 클리닝을 할 필요없이 공급 가스가 풍부한 잔여 가스를 공정으로 직접 재순환시키는 것을 가능하게 한다.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시태양은 추진력으로서 공급 가스와 공정 가스의 압력 차이를 이용하여 가스 제트 펌프를 통해 잔여 가스를 공정으로 재순환시키고, 재순환되는 가스의 유량을 제어하고, 잔여 가스의 하부 스트림을 방출시켜 불순물을 제거하고 과도한 압력을 피하는 것을 포함한다.

본 발명에 따른 방법에서, 잔여 가스는 바람직하게는 가스 제트 펌프를 통해 공급 가스와 함께 공정으로 재순환된다.

본 발명에 따른 방법의 이점은 하기 내용을 통해 특히 명백해질 것이다.

HCl 또는 NaCl 막 전기분해에서 생성되는 잔여 가스는 주로 산소를 함유하고, 추가로 수증기, HCl, 및 막 손상이 발생한 경우에는 염소 또한 함유한다. 산소 소모형 캐쏘드를 사용하는 NaCl 전기분해의 경우에는, 잔여 가스가 미량의 가성 소다 (NaOH)를 함유할 수 있다. 상기 잔여 가스를 배기 공기로서 배출시키기는 것은 대규모의 배기 공기 스크러버 및 스크러빙을 위한 가성 소다 용액의 다량 소모를 요한다. 뿐만 아니라, 50％ 과량으로 사용된 산소가 배기 공기로서 배출될 것이다. 잔여 가스가 HCl 및 가능하게는 염소를 함유하기 때문에, 압축기를 이용하여 잔여 가스를 공정으로 재순환시키는 것은 고비용의 압축기 재료를 요하거나, 재순환된 양의 가스를 연속 스크러빙하는 것을 요하며 이는 가성 소다 용액의 다량 소모를 수반한다.

본 발명에 따른 가스 제트 펌프의 사용은 어떠한 건조나 클리닝을 할 필요없이 잔여 가스를 함유하는 공급 가스를 공정으로 직접 재순환시키는 것을 가능하게 한다. 결과적으로, 이전에 요구되었던 공급 가스의 습윤화가 불필요하게 될 수 있다. 산소 소모량은, 공정에 필요한 과량이 바람직하게는 잔여 가스 스트림의 90 부피％를 초과하고 필요에 따라 제어 부재에 의해 조정될 수 있는 유량으로 재순환된 잔여 가스에 의해 얻어지므로, 약 33％ 감소될 수 있으며, 상기 재순환된 잔여 가스의 유량은 공정에 한번 더 이용될 수 있다. 잔여 가스 스트림 중 비순환된 분 획은 바람직하게는 공급 가스 중 순수한 산소 수준의 약 10 부피％ 미만, 특히 바람직하게는 약 1 부피％ 미만인 유량으로 배출 가스로 공급된다. 재순환되는 가스 스트림의 유량 제어 및 배출되는 잔여 가스의 방출에 의해, 전기분해를 위한 캐쏘드 구획에서 막 및 전극에 손상을 야기할 수 있는 과도한 압력 또는 압력 변동을 피하게 된다. 잔여 가스 스트림 중 비순환된 분획의 방출은 또한 공정에서 불순물, 특히 불활성 가스의 축적을 없애 준다.

본 발명에 따른 방법은 화학량론적 과량의 공급 가스를 사용할 필요가 있는 어떠한 전기화학 공정에라도 이용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 방법은 임의 유형의 가스 확산 전극, 예를 들어 산소 소모형 캐쏘드를 이용할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 바람직하게는 산소 소모형 캐쏘드를 사용하는 전기화학 공정, 특히 전기분해 공정에 사용된다. 이 방법은 또한 공급 가스로서 필수적으로 산소를 도입시키는 전기분해 공정에 바람직하게 사용된다.

본 발명에 따른 방법으로 수행할 수 있는 전기분해 공정의 예로는 특히, 산소 소모형 캐쏘드를 사용하는, NaCl 및 HCl 전기분해뿐 아니라 황산암모늄 또는 질산암모늄 재순환 방법을 들 수 있다.

특히 바람직한 전기분해 공정은 순수한 산소를 기준으로 약 50％ 화학량론적 과량의 산소를 도입시키는 산소 소모형 캐쏘드를 사용하는 NaCl 전기분해 및 HCl 전기분해이다.

전기화학 공정을 수행하는 공정 압력은 전기화학 공정의 특성 및 선택된 가 스 확산 전극에 따라 좌우되며, 일반적으로 대기압보다 0.001 내지 10 bar, 바람직하게는 10 내지 250 mbar, 특히 10 내지 200 mbar 더 높고, 특히 바람직하게는 대기압에서 수행한다.

가스 제트 펌프에 제공되는 공급 가스 압력은 일반적으로 공정 압력보다 0.1 내지 40 bar 더 높다. 바람직하게는, 공급 가스 압력은 0.5 내지 25 bar, 특히 0.5 내지 10 bar 더 높다.

본 발명에 따른 방법의 대안적인 실시태양으로, 가스 제트 펌프에 제공되는 공정 압력은 대기압보다 1 내지 500 mbar, 바람직하게는 50 내지 200 mbar 더 낮다.

공정 압력이 대기압보다 낮은 경우에는, 배출 가스를 대기압으로 방출시키기 위해 배출 가스를 압축기 또는 송풍기를 이용하여 가압시킬 수 있다.

바람직하게는, 공급 가스를 순수한 공급 가스를 기준으로 전기화학 공정에서의 화학량론적 소모량에 비해 1.01 배 내지 10 배 과량, 특히 1.5 배 내지 2 배 과량에 상응하는 유량으로 가스 제트 펌프에 공급한다. 사용된 공급 가스가 불활성 가스와 같은 불순물을 함유하는 경우에는, 공정을 상응하게 더 높은 화학량론적 과량에서 작동시켜야 한다.

가스 제트 펌프에서는, 공급 가스를 공정 압력으로 팽창시켜 전기화학 공정이 일어나는 반응 챔버 (예를 들어, 전기분해 장치에서 캐쏘드 구획)에 도입시킨다. 바람직하게는, 공정 압력은 가스 확산 전극의 작동 압력과 라인에서 손실되는 임의의 압력의 합계에 상응한다. 바람직하게는, 공정 압력은 대략 대기압에 상응 한다. 화학량론적 과량의 공급 가스 분획은 잔여 가스로서 공정을 통과하여 나온다.

공급 가스가 팽창될 때 발생하는 흡인 압력은 한 분획 이상의 잔여 가스가 가스 제트 펌프의 흡인측을 통해 흡기되도록 하여, 잔여 가스를 공정으로 재순환시킨다. 가스 제트 펌프에서의 흡인량은 공급 가스 압력과 공정 압력 사이의 구배를 통해 제어될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시태양에 따라, 전기분해 공정으로 재순환된 잔여 가스 스트림은 잔여 가스 스트림, 배출 가스 스트림 및(또는) 재순환되는 가스 스트림에 제공된 제어 부재를 통해 조정된다. 제어 부재를 이용하여 공정으로 재순환되는 잔여 가스의 양은 잔여 가스를 기준으로 0.01 내지 100％로 조정할 수 있다. 바람직하게는, 공정으로 재순환되는 잔여 가스의 양은 80 내지 99.5％로 조정된다.

공정 가스로 재순환되지 않은 잔여 가스 스트림 부분은 배출 가스로 공급된다. 이로써, 불순물이 공정에 축적되는 것이 제한된다. 또한, 이 가스 스트림의 방출 결과, 공정에 바람직하지 않게 매우 과도한 압력이 축적되는 것을 피하게 된다. 이는 특히 전기분해가 중단된 경우에 적용되며, 이 경우 산소가 공정에서 더이상 소모되지 않기 때문이다. 배출 가스로 공급되는 잔여 가스를 제어하기 위해, 제어 부재를 배출 가스 스트림에 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 배출 가스를 자유롭게 방출시키면서 필수적으로 대기 공정 압력하에 수행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방법을 산소 소모형 캐쏘드를 사용하는 NaCl 전기분해에서 수행하는 경우, 산소 소모형 캐쏘드는 EP-A-1 061 158호에 기재된 구조를 갖는 것이 바람직한다. 특히, 산소 소모형 캐쏘드는 전자를 제공하기 위한 금속성 지지체로서 은 와이어, 은도금 니켈 와이어, 또는 일부 다른 내알칼리성 합금 (예를 들어, 인코넬 (Inconel))로 제조된 직물 (fabric)을 포함하는 것이 바람직하다. 불량한 전도성 산화물 또는 수산화물 층을 피하기 위해, 해당 합금을 마찬가지로 은도금하거나 여러 다른 방법으로 표면 처리해야 한다. 상기 언급한 직물 재료의 미세 섬유로 제조된 펠트와 같이 깊이 패턴화된 지지체를 사용하는 것이 특이 유리하다. 촉매 매트릭스는 바람직하게는 테플론 (가스 확산을 위해 소수성 및 다공성을 조정하기 위해), 전기전도성 지지체 (예를 들어, 불칸 블랙 (Vulcan black) 또는 아세틸렌 블랙), 및 촉매 재료 자체의 혼합물을 포함하며, 상기 촉매 재료는 상기 지지체 상에 미세 분산되어 촉매적으로 활성인 은 입자의 형태로 혼합되어 있다. 촉매 매트릭스는 바람직하게는 지지체에 소결 결합되거나 가압 결합된다. 대안적으로, 대부분의 촉매 입자 또한 전기적으로 접촉되는 방식으로 촉매 밀도 및(또는) 전도성으로 된 소수성 지지체가 조정되는 경우, 탄소 분획 (카본 블랙)을 사용하지 않는 것도 가능하다.

EP-A-1 061 158호에 기재된 바와 같이, 특히 NaCl 전기분해의 경우에는, 산소 소모형 전극에서 카본 블랙을 사용하지 않아 전극 매트릭스가 테플론 및 은으로만 구성되도록 하는 것이 가능하며, 이 때 은은 촉매로서 뿐만 아니라 전자 전도체로서도 기능하는 것으로 여겨진다. 이에 따라, 은 입자가 접촉하여 다른 것과 전도성 브릿지를 형성하기에 충분한 은의 적용범위가 요구된다. 사용된 지지체는 와 이어 직물, 전지 공학에서 공지된 바와 같은 인장 금속박, 또는 은, 은도금 니켈 또는 은도금 내알칼리성 물질 (예를 들어, 인코넬 스틸)로 제조된 펠트의 형태일 수 있다.

본 발명의 추가의 바람직한 실시태양에 따라, 본 발명에 따른 방법은 산소 소모형 캐쏘드를 사용하는 HCl 막 전기분해에 이용된다.

산소 소모형 캐쏘드를 사용하는 HCl 막 전기분해의 실시는 일반적으로 당업자에게 공지되어 있으며, 예를 들어 본 발명에 참고문헌으로 포함되는 EP-A-0 785 294호, US-A-5 958 197호 및 US-A-6 149 782호에 기재되어 있다. 본 발명에 따른 방법은 이들 공보에 기재된 산소 소모형 캐쏘드를 이용하여 실행할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 치수적으로 안정한 가스 확산 전극, 특히 하기 기재한 치수적으로 안정한 가스 확산 전극을 함께 이용하여 실행하는 데 특히 적합하다.

본 발명에 따른 방법에 바람직하게 이용될 수 있는 치수적으로 안정한 가스 확산 전극은 촉매 재료를 함유하는 코팅 조성물을 수용하기 위한 1종 이상의 전기전도성 촉매 지지재, 특히 미세 분산된 은 분말 또는 미세 분산된 산화은 분말의 혼합물, 또는 은 분말 및 산화은 분말 및 테플론 분말의 혼합물, 또는 미세 분산된 은 분말 또는 산화은 분말의 혼합물, 또는 은 분말 및 산화은 분말, 탄소 분말 및 테플론 분말의 혼합물을 포함하며, 전기적 접속을 위해 촉매 지지재는 직물, 결합된 섬유 웹, 소결된 금속, 전기전도성 물질로 된 발포체 또는 펠트, 인장 금속 플레이트, 또는 다수개의 천공이 있는 금속 플레이트이다. 촉매 재료를 함유하는 코 팅 조성물은 상기 촉매 지지재의 상단에 도포되며, 상기 촉매 지지재는 충분한 가요성 강도를 갖기 때문에 추가의 기부 플레이트를 사용하여 더욱 강성화시킬 필요가 없거나, 또는 가스 투과성 강성 금속성 기부 플레이트 또는 강성 직물 또는 인장 금속 (특히, 니켈 또는 그의 합금 또는 내알칼리성 금속 합금으로 제조된 것)에 기계적 및 전기전도적으로 연결된다.

촉매 지지재로서 기능하는 개방 구조체는 특히 미세 와이어 직물 또는 상응하는 인장 금속박, 필터 스크린, 펠트, 발포체 또는 소결된 재료를 포함하며, 이들과 촉매 재료를 함유하는 코팅 조성물은 상기 조성물이 압연 (rolling)될 때 상호 결합된다. 한 실시태양으로, 촉매 재료를 함유하는 코팅 조성물이 압착되거나 압연되기 전에, 상기 개방 구조체는 상당히 개방되었으나 보다 소형인 강성 부속 구조체 자체에 금속 결합, 예를 들어 소결 결합된다.

상기 부속 구조체의 기능은 압착 작업 동안 촉매 재료를 함유하는 조성물을 유지하는 것이며, 이 공정에서 상기 조성물은 심지어 두 층 사이에 있는 구조적 틈으로까지 퍼질 수 있어, 결과적으로 훨씬 더 효과적으로 상호 결합된다.

기부 플레이트용 금속은 바람직하게는 니켈, 내알칼리성 니켈 합금, 은도금 니켈, 또는 내알칼리성 금속 합금으로 구성된 군으로부터 선택된다.

대안적으로, 특별한 경우에는 사용된 기부 플레이트가 니켈, 내알칼리성 니켈 합금, 내알칼리성 금속 합금, 또는 은도금 니켈로 구성된 군으로부터 선택된 재료로 제조된, 강성 발포체, 강성 소결 구조체, 천공이 있는 플레이트, 또는 슬롯 (slot)이 있는 플레이트일 수 있다. 이 경우, 이전 공정 단계에서 거친 시트에 압 연된 촉매 재료를 함유하는 코팅 조성물은, 동시에 촉매 지지재로도 작용하는 기부 구조체에 직접 압연된다. 따라서, 추가의 촉매 지지재는 사용하지 않는다.

바람직하게는, 촉매 지지재는 탄소, 금속, 특히 니켈 또는 니켈 합금 또는 내알칼리성 금속 합금을 포함한다.

반응 가스가 기부 플레이트를 보다 효과적으로 통과할 수 있도록 하기 위해, 기부 플레이트는 다수개의 천공, 특히 슬롯 또는 원통형 구멍을 갖는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 천공은 폭이 최대 2 mm, 특히 최대 1.5 mm이다. 슬롯은 길이가 최대 30 mm일 수 있다.

발포성 또는 다공성 소결 구조체를 사용하는 경우, 공극은 중앙 직경이 바람직하게는 최대 2 mm이다. 이 구조체는 고강성 및 고가요성 강도를 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 사용되는 가스 확산 전극 촉매 지지재는 발포성 또는 소결 구조체이며, 전극을 전기화학 반응 장치에 연결시키기 위해 제공되는 연부를 압축시켜 필요한 기밀성/액밀성을 달성한다.

본 발명에 따른 방법에 사용될 수 있는 가스 확산 전극의 바람직한 변형예는 기부 플레이트가 천공이 없는 5 mm 이상의 연부로 둘러쌓이는 것을 특징으로 하며, 상기 연부는 특히 용접 또는 납땜에 의해, 또는 볼트로 조이기 또는 못으로 고정시키기 또는 클램핑에 의해, 또는 전기전도성 접착제의 사용에 의해 전극을 고정시키는 역할을 하여 가스 포켓의 연부가 전극에 접속된다.

본 발명에 따른 방법에 사용될 수 있는 가스 확산 전극의 추가의 바람직한 형태는 촉매 재료를 함유하는 코팅 조성물 및 촉매 지지재를 건식 캘린더링에 의해 함께 결합시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 방법에 사용될 수 있는 가스 확산 전극의 바람직한 변형예는 촉매 재료를 함유하는 코팅 조성물 및 촉매 지지재가 물 및 가능하게는 유기 용매 (예를 들어, 알코올)를 함유하는 코팅 조성물의 붓기 또는 습식 압연에 의해 촉매 지지재에 도포되어, 후속 건조, 소결, 및 가능하게는 치밀화에 의해 결합되는 것을 특징으로 한다.

가스 확산 전극 내에서 가스 분포의 균일성을 개선시키기 위한 특별한 고안으로서, 기부 플레이트와 촉매 지지재 사이에 특히 탄소, 금속 (특히, 니켈), 내알칼리성 니켈 합금, 은도금 니켈, 또는 내알칼리성 금속 합금으로 제조된 추가의 전기전도성 가스 분포용 직물을 제공한다.

본 발명에 따른 방법에 사용할 수 있는 상기 가스 확산 전극의 특별한 실시태양으로, 기부 플레이트는 가스 분포용 직물을 수용하기 위해 오목한 부위를 갖는다.

촉매 재료를 함유하는 코팅 조성물 및 촉매 지지재의 층이 전극의 연부 영역에서 둘레를 따라 기부 플레이트의 연부에 기밀 접합부를 형성하는 디자인의 가스 확산 전극이 본 발명에 따른 방법에 이용하기에 특히 적합한 것으로 밝혀졌다.

기밀 접합은 예를 들어 밀봉에 의해, 또는 필요에 따라 초음파 보조된 평판 압연에 의해 달성될 수 있다.

발포성 또는 다공성 소결 구조체를 촉매 지지재 또는 기부 플레이트로 사용하는 경우에는, 상기 구조체를 촉매 재료를 함유하는 코팅 조성물로 코팅한 후에 둘레를 따라 연부 영역을 확실히 가압 결합시켜 기밀 연부 영역을 완성한다.

바람직하게는, 가스 확산 전극은 천공이 없는 연부를 갖거나, 다공성 기부 구조체를 가압 결합하여 밀봉한 연부를 가지며, 상기 전극은 천공이 없는 연부에서 예를 들어 용접, 납땜, 볼트로 조이기, 못으로 고정시키기, 클램핑, 또는 내알칼리성 전기전도성 접착제의 사용에 의해 전기화학 반응 장치에 전기전도 가능하도록 기밀 접합된다.

가스 확산 전극이 용접 또는 납땜에 의해 전기화학 반응 장치에 접합되는 경우에는, 천공이 없는 연부에 은이 없는 것이 바람직하다.

다른 한편으로, 가스 확산 전극이 볼트로 조이기, 못으로 고정시키기, 클램핑, 또는 전기전도성 접착제 사용에 의해 전기화학 반응 장치에 접합되는 경우에는, 천공이 없는 연부가 은을 함유하는 것이 바람직하다.

가스 확산 전극이 볼트로 조이기, 못으로 고정시키기, 클램핌에 의해 전기화학 반응 장치에 일체화되는 경우에는, 기부 플레이트의 연부 영역을 탄성 라이너에 의해 전기화학 장치의 설치면에 대해 밀봉시키는 것이 유리하다.

이후 본 발명은 첨부된 도 1을 참고하여 예시적인 실시태양에 대해 보다 상세하게 기재된다. 도 1은 본 발명에 따른 방법의 구체적인 실시태양의 개략도이다.

HCl 막 전기분해를 도 1에 도시한 구성에 따라 각각 2.5 ㎡인 76개의 전지 요소를 이용하고 산소 소모형 캐쏘드 및 가스 제트 펌프 (1) (하노버 소재의 쾨르팅 (Koerting)으로부터 입수)을 이용하여 4 kA/㎡의 특정 전류 밀도로 전기분해 장치의 캐쏘드 구획에 255 ㎥N/h의, 즉 약 50％ 과량의 순수한 산소를 공급하면서 수행하였다. 방출되는 잔여 가스는 주로 산소를 함유하였고, 부가적으로 수증기 및 미량의 HCl을 함유하였다.

산소를 가스 제트 펌프 (1)을 통해 4.8 bar의 압력 (공급 가스 압력)하에 전기분해 공정에 공급하고, 거기서 대략 대기 압력 (공정 압력)으로 팽창시켰으며, 그에 따른 압력 차이는 소모되지 않은 산소를 함유하는 과량의 잔여 가스를 흡기 및 혼합하기 위한 추진력으로 작용하였다. 소모되지 않은 산소는 결과적으로 막 전기분해 동안 공정 가스로서 산소 소모형 캐쏘드에서 이용가능하다. 공급 가스를 함유하는 잔여 가스는 가스 제트 펌프 (1)에 의해 제어 밸브 (2)를 통해 공정으로 한번 더 공급된다. 잔여 가스의 하부 스트림은 서보 (servo) 밸브 (3)을 통해 배출 가스 스트림으로 공급되고, 배출 가스 스트림은 중단 불가능한 방식으로 고안되어 과도한 압력 축적을 방지하고 불순물을 제거하였다.

본 발명에 따른 방법에서 가스 제트 펌프를 사용한 결과, 산소가 풍부한 잔여 가스가 어떠한 건조나 클리닝을 할 필요없이 공정으로 재순환되었다. 결과적으로, 지금까지 NaCl 전기분해에서 요구되었던 공급 가스 습윤화 조차도 불필요하게 될 수 있었다. 산소 소모량은, 공정에 필요한 과량이 재순환된 잔여 가스에 의해 얻어지기 때문에 255 ㎥N/h에서 약 170 ㎥N/h로 감소될 수 있었다. 이는 재순환이 없는 공정에 비해 약 75 ㎥N/h 절약되는 것을 의미한다. 제거되는 잔여 가스의 자유로운 방출에 의해, 전기분해를 위한 캐쏘드 구획에서 막 및 전극 손상을 야기시킬 수 있는 과도한 압력 축적 및(또는) 압력 변동이 없어졌다.

Claims (10)

1. - 공정 압력을 초과하는 압력하에 가스 제트 펌프 (1)을 통해 공급 가스를 전기화학 공정으로 공급하는 단계,

   - 상기 가스 제트 펌프 (1)에서 상기 공급 가스를 공정 압력으로 팽창시켜, 공정 압력보다 낮은 흡인 압력을 발생시키는 단계, 및

   - 상기 가스 제트 펌프에서 발생된 흡인 압력을 이용하여 상기 공급 가스를 함유하는 공정 가스 (잔여 가스)를 흡기하고, 이 잔여 가스를 전기화학 공정으로 재순환시키는 단계를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는,

   하나 이상의 가스 확산 전극을 사용하는 전기화학 공정으로 공정 가스를 재순환시키는 방법.
2. 제1항에 있어서, 잔여 가스를 전기화학 공정으로 재순환시키는 단계를 하나 이상의 제어 부재 (2)를 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 잔여 가스의 일부분을 배출 가스 스트림으로서 공정으로부터 배출시키는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공정 압력을 배출 가스 스트림에 있는 추가의 제어 부재 (3)을 통해 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 잔여 가스를 공급 가스와 함께 가스 제트 펌프를 통해 공정으로 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전기화학 공정에서 공급 가스의 소모량을 기준으로 하여 화학량론적으로 1.01 배 내지 10 배 과량으로 공정 가스가 제공되도록, 공급 가스 및 잔여 가스를 가스 제트 펌프를 통해 공급하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공정 압력이 대기압보다 0.001 내지 10 bar 더 높은 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 대기압하에 공정을 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공정 압력이 대기압보다 1 내지 500 mbar 더 낮은 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공급 가스 압력이 공정 압력보다 0.1 내지 40 bar 더 높은 것을 특징으로 하는 방법.

Images