KR101122343B1

KR101122343B1 - 오존 제조 장치

Info

Publication number: KR101122343B1
Application number: KR1020070079011A
Authority: KR
Inventors: 데루미 하시모토; 마사아키 가토; 아키요시 마나베
Original assignee: 크로린엔지니아즈 가부시키가이샤
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2012-03-23
Also published as: JP2008038212A; TWI406972B; US20080179185A1; JP4252591B2; KR20080013780A; TW200813258A

Abstract

본 발명은, 수전해에 의해 얻어지는 오존 가스를 제조할 때에, 전해 셀 내부의 온도를 내림으로써, 보다 고효율로 오존 가스를 얻는 동시에, 전해 셀을 구성하는 각종 부재의 수명을 길게 할 수 있는 오존 제조 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명 장치에 의하면, 상기 양극실 프레임(6) 및 음극실 프레임(12)의 내면에 복수의 홈(13)을 형성하고, 또한, 오존 발생용 전해 셀(3)의 외부에, 양극실 (1)에 접속하여, 양극실(1)로부터 발생하는 오존 함유 가스와 양극액을 분리하는 양극액의 기액분리탑(4)을 설치하는 동시에, 음극실(2)에 접속하여, 음극실(2)로부터 발생하는 수소 가스와 음극액을 기액분리하는 음극액의 기액분리탑(5)을 설치하여, 양극액 및 음극액의 냉각 효과를 향상하고, 고효율로 오존 가스를 제조하는 것에 있다.

Description

오존 제조 장치{Ozone Producing System}

본 발명은, 수전해에 의해 얻어지는 오존 가스를 제조할 때에, 전해 셀 내부의 온도를 내리는 것에 의해, 보다 고효율로 오존 가스를 얻는 동시에, 전해 셀을 구성하는 각종 부재의 수명을 길게 할 수 있는 오존 제조 장치에 관한 것이다.

수전해에 의해서 오존 가스를 얻는 방법은, 공지의 기술이며, 고농도의 오존 가스를 고전류 효율로 얻으려면, 전해 온도를 30℃전후로 하여 전해하는 것이 일반적이다. 그러나, 오존 가스 발생용 전해 셀은, 전해에 의해서 발열하여, 30℃를 대폭 넘은 높은 온도가 되기 때문에, 전해 셀을 냉각하여, 내부의 온도를 내리는 것이 필요하다. 전해 셀의 냉각 방법으로서는, 도 4에 기재된 바와 같이, 예를 들면, 전해 셀(3)의 양극실(1)과 양극액의 기액분리탑(4)의 사이에 양극액을 순환시켜, 순환 라인으로부터의 방열에 의해 온도를 내리는 방법, 혹은 전해 셀(3)을 구성하는 양극실(2), 음극실(1)의 바깥면에 냉각 쟈켓(도시하지 않음)을 설치하여, 전해 셀(3)의 온도를 내리는 방법이 알려져 있다(특허 문헌 1).

[특허 문헌 1] 일본 특허공개공보 평성 11-315389호

그러나, 특허문헌 1의 장치에서는, 양극실내의 온도의 상승을 억제하고, 전해 셀의 온도를 내리는 효과는 있지만, 음극 냉각을 실시하지 않기 때문에 온도는 높은 상태이고, 전해 셀 내부, 특히 전해 반응이 일어나고 있는 이온 교환막과 양극, 이온 교환막과 음극의 계면에서의 온도를 저하시키기에는 충분하지 않았다. 이 때문에, 전해 셀내에서의 온도 분포가 발생하여, 부재의 열화에 의해 시간경과에 따라 오존 가스 농도나 전류 효율의 저하가 일어나기 쉽고, 성능을 유지하기 위해서는 빈번한 부재 교환이 발생한다고 하는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상기의 종래 방법의 결점을 해소하고, 수전해에 의해 오존 가스를 제조할 때에, 냉각 효율을 높여, 전해에 의해 발생하는 열에 의한 전해 셀의 온도 상승을 억제하고, 또한, 전해 셀내의 온도를 균일하게 하는 것에 의해서 고효율로 오존 가스를 얻는 동시에, 전해 셀을 구성하는 각종 부재의 수명을 길게 하는 것에 있다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서, 퍼플루오로카본계의 이온 교환막 (9)과, 상기 이온 교환막(9)의 양측에 밀착시킨, 오존 발생용 촉매를 도전성 다공체에 담지시킨 양극(8) 및 백금 촉매를 담지시킨 음극(10)과, 상기 양극(8)의 배면에 장착한 양극실 프레임(6)과, 상기 양극실 프레임(6)의 내면과 양극(8)의 배면 사이에 형성한 양극실(1)과, 상기 음극(10)의 배면에 집전체(11)를 개재하여 장착 한 음극실 프레임(12)과, 상기 음극실 프레임(12)의 내면과 상기 집전체(11)의 배면 사이에 형성한 음극실(2)과, 상기 양극실 프레임(6) 및 음극실 프레임(12)의 바깥면에 밀착하도록 설치한 냉각 자켓(16,16)으로 이루어지고, 순수(純水)를 양극실 (1)내에 공급하여 오존 가스를 발생시키는 오존 발생용 전해 셀(3)에 있어서, 상기 양극실 프레임(6) 및 음극실 프레임(12)의 내면에 복수의 홈(13)을 형성하고, 또한, 오존 발생용 전해 셀(3)의 외부에, 양극실(1)에 접속하여, 양극실(1)로부터 발생하는 오존 함유 가스와 양극액을 분리하는 양극액의 기액분리탑(4)을 설치하는 동시에, 음극실(2)에 접속하여, 음극실(2)로부터 발생하는 수소 가스와 음극액을 기액분리하는 음극액의 기액분리탑(5)를 설치하여, 양극액 및 음극액의 냉각 효과를 향상하고, 고효율로 오존 가스를 제조하는 것을 특징으로 하는 오존 제조 장치를 구성한 것에 있다.

본 발명에 의하면, 냉각 효율을 높여, 전해에 의해 발생하는 열에 의한 전해 셀의 온도 상승을 억제하고, 또한, 전해 셀내의 온도를 균일하게 하는 것에 의해서 고효율로 오존 가스를 얻는 동시에, 전해 셀을 구성하는 각종 부재의 수명을 길게 할 수 있다.

이하에, 본 발명의 실시의 형태를 설명한다.

도 1은, 본 발명에 의한 오존 제조 장치의 전체도, 도 2-a는, 본 발명의 전해 셀(3)의 상부에서 본 상세도, 도 2-b는, 본 발명의 전해 셀(3)을 옆에서 본 상 세도, 도 3은, 본 발명에 의한 양극실 프레임(6) 및 음극실 프레임(12)의 내면에 형성한 복수의 홈(13)의 상세도를 나타낸 것이다.

본 발명에 의한 오존 제조 장치는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 순수를 공급하여 오존 함유 가스를 발생시키는 전해 셀(3)과, 전해 셀(3)의 위쪽 공간에 설치된 두 개의 기액분리탑(4,5)으로 구성된다. 한쪽의 기액분리탑은, 양극액의 기액분리탑(4)으로서, 전해 셀(3)의 양극실(1)로부터 오존 가스를 기포로 하여 포함한 물을 양극액의 기액분리탑(4)에 공급하는 불소 수지제 배관(A)과 양극액의 기액분리탑(4)으로부터 물을 양극실(1)로 되돌리는 불소 수지제 배관(B)이 접속되고, 또한, 오존 함유 가스 출구(14)를 가지고 있다. 또 한쪽의 기액분리탑은, 음극액의 기액분리탑(5)으로서, 전해 셀(3)의 음극실(2)로부터 수소를 기포로서 포함한 물을 음극액의 기액분리탑(5)에 공급하는 배관(C)과 음극액의 기액분리탑(5)으로부터 물을 음극실(2)로 되돌리는 배관(D)이 접속되고, 또한, 수소 가스 출구(15)를 가지고 있다.

또한, 전해 셀(3)은, 도 2-a 및 도 2-b에 나타낸 바와 같이, 퍼플루오로카본계의 이온 교환막(9)과, 상기 이온 교환막(9)의 양측에 밀착시킨, 오존 발생용 촉매를 도전성 다공체에 담지시킨 양극(8) 및 백금 촉매를 담지시킨 음극(10)과, 상기 양극(8)의 배면에 장착한 양극실 프레임(6)과, 상기 양극실 프레임(6)의 내면과 양극(8)의 배면 사이에 형성한 양극실(1)과, 상기 음극(10)의 배면에 집전체(11)를 개재하여 장착한 음극실 프레임(12)과, 상기 음극실 프레임(12)의 내면과 상기 집전체(11)의 배면 사이에 형성한 음극실(2)에 의해 구성되어 있다. 7은, O-링이다. 또한, 16, 16은, 양극실 프레임(6) 및 음극실 프레임(12)의 바깥면에는, 밀착하도록 설치된 냉각 쟈켓이다. 13은, 양극실(1), 음극실(2)을 구성하는 양극실 프레임 (6) 및 음극실 프레임(12)의 내면에 형성된 복수의 홈이다.

복수의 홈(13)은, 도 3에 나타낸 바와 같이, 종횡 방향으로 복수 형성되어 있고, 열교환에 이용되는 면적을 증가시켜, 냉각 효율을 상승시키기 위한 것이다. 따라서, 이들 복수의 홈(13)은, 양극액 및 음극액의 각각의 액을 순환하기 쉽게 하는 것을 목적으로 하고 있으며, 형상을 한정하는 것이 아니고, 방사형상 기타 형상으로 가공해도 좋다.

본 발명에 의하면, 전해 셀(3)의 양극실(1)내에 순수를 공급하여 전해하면, 양극실(1)내에서 오존 함유 가스가 발생하고, 이 오존 함유 가스는, 양극액과 함께, 배관(A)을 지나, 양극액의 기액분리탑(4)에 공급되어, 양극액의 기액분리탑(4)내에서 기액분리되고, 오존 함유 가스는, 오존 함유 가스 출구(14)로부터 배출되고, 양극액은, 배관(B)을 지나, 양극실(1)로 순환된다. 한편, 음극실(2)내에서 수소 가스가 발생하고, 이 수소 가스는, 음극액과 함께, 배관(C)을 지나, 음극액의 기액분리탑(5)에 공급되어, 음극액의 기액분리탑(5)내에서 기액분리되고, 수소 가스는, 수소 가스 출구(15)로부터 배출되고, 음극액은, 배관(D)을 지나, 음극실(2)로 순환된다. 본 발명에 의하면, 이와 같이, 양극액의 기액분리탑(4) 및 음극액의 기액분리탑(5)과 전해 셀(3)의 양극실(1) 및 음극실(2)의 사이에서, 양극액, 음극액을 순환시키고 있으므로, 배관(A,B,C,D)이나 기액분리탑(4) 및 (5)로부터 방열되고, 냉각이 촉진되어, 전해 셀(3)의 냉각 효율을 높일 수가 있다. 또한, 그 때에 양극실 프레임(6) 및 음극실 프레임(12)의 내면에, 종횡 방향, 방사 방향 등에 복수의 홈(13)이 형성되고 있으므로, 열교환에 이용되는 면적도 증가하는 동시에, 전해 셀(3)내의 전해액 통로의 액저항이 작아져, 에어 리프트 작용에 의한 음극액, 양극액 순환이 한층 촉진된다. 본 발명에 의하면, 전해 셀(3)의 음극측에 순환계통을 설치하지 않는 경우에 비해, 양극실(1), 음극실(2) 모두 온도의 저하가 보이고, 또한 전해 셀(3)내의 온도 분포도 작아진다. 이 온도의 저감 효과는 발열량이 큰 고전류 밀도일수록 현저해진다. 또한, 본 발명에 의하면, 양극실 프레임(6) 및 음극실 프레임(12)의 바깥면에 밀착하도록, 냉각 쟈켓(16,16)이 설치되어 있다. 따라서, 전해 셀(3)의 전해 면적을 일정하게 했을 경우, 오존 가스 발생량을 증가시키기 위해서는 고전류 밀도로 운전하게 되지만, 전해에 의한 발열이 커지기 때문에 필연적으로 셀내, 특히 이온 교환막과 전극의 접촉 부분의 온도는 상승하고, 전류 효율이 저하하는 전해 조건이 되지만, 본 발명에 의하면, 전해 셀(3)의 온도 상승을 억제함으로써 높은 전류 효율을 유지할 수 있고, 동시에 전해 셀(3)을 구성하는 부재의 수명을 길게 할 수도 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 전해 셀(3)내의 온도는 상승하지 않고, 특히 전해 발열 부분인 이온 교환막(9) 근방의 온도는, 도 4에 나타내는 종래의 장치에 의한 운전시보다 저하하였다. 또한 전해 셀(3) 전체의 온도 분포도 작아졌다. 공간을 절약하여 다량의 오존 가스를 얻기 위해서 전해 셀 (3)을 고전류 밀도로 운전하는 경우에는 전해에 의한 발열이 커지기 때문에, 본 발명에 의한 온도 저감 효과가 유효하다.

[실시예]

<실시예 및 비교예>

실시예로서, 도 1에 나타내는 오존수 제조장치를 사용하여 전류 밀도 200A/dm²로 전해를 행하였다. 도 1의 3으로 나타내는 오존 발생용 수전해 셀은, 도 2-a 및 도 2-b에 나타내는 셀을 이용하였다. 도 2-a 및 도 2-b의 8은, 오존 발생용 촉매를 도전성 다공체에 담지시킨 양극, 9는, 퍼플루오로카본술폰산계 이온 교환막, 10은, 백금 촉매를 담지시킨 음극이다. 또한 6은, 양극실 프레임, 12는, 음극실 프레임이며, 도 3에 기재된 바와 같이 복수의 홈(13)을 형성한 것을 사용하였다. 양극액, 음극액은, 각각 양극실(1)과 양극액의 기액분리탑(4), 음극실(2)과 음극액의 기액분리탑(5)의 사이를 순환하였다. 양극실 프레임(6), 음극실 프레임 (12)의 바깥측에는, 냉각 자켓(16,16)을 설치하여, 양극실(1) 및 음극실(2)을 냉각하였다.

비교예로서 도 4에 나타낸 바와 같이, 양극액만을 양극실(1)과 양극액의 기액분리탑(4)의 사이를 순환하여, 음극측에 순환 구조를 갖지 않는 오존수 제조 장치를 이용하여 전류 밀도 200A/dm²로 전해를 실시하였다. 이 비교예에서도, 냉각 쟈켓(16,16)을 설치하고, 양극실(1) 및 음극실(2)을 냉각하였다.

실시예, 비교예 각각의 결과를 표 1에 나타낸다. 이들 결과로부터, 양극액, 음극액을, 각각 양극실(1)과 양극액의 기액분리탑(4), 음극실(2)과 음극액의 기액분리탑(5)의 사이에 순환하는 것이, 양극액만을 양극실(1)과 양극액의 기액분리탑(4)의 사이에 순환했을 경우보다, 셀 전체의 온도가 저하하고, 온도 분포도 작아 져, 고전류 효율의 오존을 얻을 수 있었다.

[표 1]

	음극액 평균온도 [℃]	양극액 평균온도 [℃]	온도분포Δ (음극) [℃]	온도분포Δ (양극) [℃]	오존가스 전류효율 [%]
실시예	35	39	7	6	18.3
비교예	38	39	10	10	18.0

본 발명에 의한 오존 발생 장치에 의하면, 냉각 쟈켓에 의해 양극실 및 음극실이 냉각되는 동시에, 전해 셀의 양극액, 음극액을 순환시키는 것에 의해서 방열이 일어나, 냉각이 촉진된다. 또한 그 때에 종횡 방향, 방사 방향 등에 복수의 홈을 형성한 양극실, 음극실을 이용함으로써, 에어 리프트 작용에 의한 음극액, 양극액의 순환을 양호하게 하여 냉각 효율을 높여 전해에 의해 발생하는 열에 의한 셀의 온도 상승을 억제하고, 전해 셀내의 온도를 균일하게 하는 것에 의해서 고효율로 오존 가스를 얻는 동시에, 전해 셀을 구성하는 각종 부재의 수명을 길게 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 오존 제조 장치의 전체도.

도 2-a는 본 발명의 전해 셀(3)의 상부에서 본 상세도.

도 2-b는 본 발명의 전해 셀(3)을 옆에서 본 상세도.

도 3은 본 발명에 의한 양극실 프레임(6) 및 음극실 프레임(12)의 내면에 형성한 복수의 홈(13)의 상세도.

도 4는 종래 장치의 오존 제조 장치를 나타내는 도면.

<부호의 설명>

1 : 양극실 2 : 음극실

3 : 전해 셀 4 : 양극액의 기액분리탑

5 : 음극액의 기액분리탑 6 : 양극실 프레임

7 : O-링 8 : 양극

9 : 이온 교환막 10 : 음극

11 : 집전체 12 : 음극실 프레임

13 : 홈 14 : 오존 함유 가스 출구

15 : 수소 가스 출구 16 : 냉각 자켓

Claims

퍼플루오로카본계의 이온 교환막(9)과, 상기 이온 교환막(9)의 양측에 밀착시킨, 오존 발생용 촉매를 도전성 다공체에 담지시킨 양극(8) 및 백금 촉매를 담지시킨 음극(10)과, 상기 양극(8)의 배면에 장착한 양극실 프레임(6)과, 상기 양극실 프레임(6)의 내면과 양극(8)의 배면 사이에 형성한 양극실(1)과, 상기 음극(10)의 배면에 집전체(11)를 개재하여 장착한 음극실 프레임(12)과, 상기 음극실 프레임(12)의 내면과 상기 집전체(11)의 배면 사이에 형성한 음극실(2)과, 상기 양극실 프레임(6) 및 음극실 프레임(12)의 바깥면에 밀착하도록 설치한 냉각 자켓(16,16)으로 이루어지고, 순수를 양극실(1)내에 공급하여 오존 가스를 발생시키는 오존 발생용 전해 셀(3)에 있어서, 상기 양극실 프레임(6) 및 음극실 프레임(12)의 내면에 복수의 홈(13)을 형성하고, 또한, 오존 발생용 전해 셀(3)의 외부에, 양극실(1)에 접속하여, 양극실(1)로부터 발생하는 오존 함유 가스와 양극액을 분리하는 양극액의 기액분리탑(4)을 설치하는 동시에, 음극실(2)에 접속하여, 음극실(2)로부터 발생하는 수소 가스와 음극액을 기액분리하는 음극액의 기액분리탑(5)을 설치하여 양극액 및 음극액의 냉각 효과를 향상시키고, 고효율로 오존 가스를 제조하는 것을 특징으로 하는 오존 제조 장치.