KR101362680B1 - 셀들을 여과하는 탄성 전류 분배기 - Google Patents

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Abstract

애노드 구획부 및 캐소드 구획부를 포함하는 막 전기분해 셀이 기술되고, 두 개의 구획부들 중 적어도 하나는 가스 확산 전극을 포함하고, 전해액 흐름에 의해 횡단되는 편평한 다공성 요소는 막 및 가스 확산 전극 사이에 삽입된다. 가스 확산 전극으로의 전기 전류 전송은, 다공성 요소 쪽으로 전극으로 푸시(push)하는 탄성 도전성 돌출부들을 구비한 전류 분배기를 통하여 이루어진다.
애노드 구획부, 캐소드 구획부, 막 전기분해 셀, 가스 확산 전극, 전해액

Description

셀들을 여과하는 탄성 전류 분배기{ELASTIC CURRENT DISTRIBUTOR FOR PERCOLATING CELLS}
본 발명은 산업용 전해액 처리, 및 특히 이온 교환 막에 의해 분리되는 애노드 구획부 및 캐소드 구획부를 포함하는 셀에 관한 것이고, 하나 또는 양쪽의 구획부들은 가스 확산 전극들을 구비하고 처리 전해액은 여과기 또는 등가의 다공성 요소를 가로질러 흐른다.
다음 상세한 설명에서, 감극화된 염소-알칼리 전기분해, 즉 알칼리 염화물 전기분해 처리에 적합한 전지가 참조되고, 여기서 수소 전개 캐소드 반응은 예를 들어 EP 1033419에 개시된 바와 같이 가스 확산 캐소드상에서 산소 소비 반응을 위하여 방지되고; 그럼에도 불구하고 본 발명은 염소-알칼리 셀들로 제한되지 않고, 가스 확산 전극들을 이용하는 임의의 산업 전기화학 처리에 응용할 수 있다.
특히 진보된 형태의 감극화 염소-알칼리 셀들이 종래 기술에 공지되었고, 여기서 처리 전해액은 중력 작용 하에서 적합한 다공성 평면 요소 또는 여과기를 가로질러 흐른다: 상기 종류의 셀은 예를 들어 WO/0157290에 개시된다. 이런 종류의 셀에는 티타늄 쉘(shell)로부터 얻어지고, 알칼리 염화물 농축 소금물이 공급되고 염소 전개를 위한 촉매 코팅이 제공된 티타늄 애노드를 포함하는 애노드 구획부, 및 니켈 캐소드 쉘에 의해 한정되는 캐소드 구획부가 통상적으로 제공되고; 두 개의 구획부들은 양이온-교환 막에 의해 분리된다. 이런 처리에서 형성된 부식성 소다는 한쪽 측면에서 이온 교환 막과 접촉하고, 다른 측면에서 가스 확산 캐소드와 접촉하는 캐소드 구획부내에 삽입된 다공성 요소를 가로질러 중력에 의해 흐른다. 다른 말로, 애노드는 예를 들어 리브(rib)들의 어레이인, 종래 기술에서 공지된 것 중에서 선택된 적합한 금속 구조에 의해 애노드 쉘에 전기 및 기계적으로 접속된 스티프(stiff) 금속 요소이고, 캐소드는 순수 은, 탄소 천 또는 다른 유형의 등가물 구조 자체로부터 얻어진 얇은 다공성 요소이다. 이런 이유로, 캐소드 쉘의 후벽으로부터 가스 확산 전극으로 전류 전송은 보다 많이 전자 분리된(delocalised) 접촉부를 제공하고 전극을 기계적으로 지지할 수 있는 구조에 의해 달성되어야 한다. 전기화학 특징들을 개선하기 위하여, 캐소드가 순환 액정 전해액의 제한에 기여하면서 전기 연속성을 허용하도록 0.1 내지 0.5 kg/cm2을 나타내는 특정 압력으로 여과기에 쪽으로 밀려지는 것은 필요하다. 상기 모든 조건들을 만족시키기 위하여, 종래 기술의 셀들은 두 개의 별개의 요소들에 따른 전기 전류 공급 시스템을 구비한다: 첫째, 애노드 측에서와 같은 예를 들어 리브 어레이로 구성될 수 있는 캐소드 쉘과 일체형의 단단한 집전기; 둘째, 적합한 압축 조건들에서 가스 확산 전극에 충분한 압력을 전송하여 요구된 전기 연속성을 보장할 수 있는 단단한 집전기 및 가스 확산 전극 사이에 배치된 금속 매트리스. 등가의 해결책은 예를 들어 WO 03/102271의 도 2에 도시된 바와 같이 여과 유형 감극 처리에 동일한 것을 채택하기 위하여, 종래 유형의 염소 알칼리 셀들의 개장을 위하여 제공된다: 이 경우, 종래 기술에서 공지된 바와 같은 니켈 또는 스틸로 만들어진 수소 전개를 위한 금속 전극인 본래의 셀 캐소드는 집전기의 임무를 가지며, 니켈 매트리스(탄성 집전기)는 단단한 집전기 및 가스 확산 전극 사이에서 전류 전송을 위한 중간 요소로서 작동한다.
상기된 해결책은 이런 유형의 셀들의 상업화를 방해하는 몇몇 불편함을 수반한다: 두 개의 컴포넌트(component) 유형 전류 전송 시스템은 매트리스 및 가스 확산 전극 사이에서 존재하는 것과 같은, 저항 강하 측면에서 특히 바람직하지 않은 접촉 인터페이스를 부가하는 것 외에, 실제로 과도한 비용 및 두께, 매트리스의 설치 및 크기 제어의 어려움(특히 주변 존에서), 변형 및 탄성력을 제어하는 어려움을 포함한다.
본 발명의 하나의 목적은 종래 기술의 제한 사항들을 극복하는 이온 교환 막에 의해 분리되고 전해액 순환을 위한 가스 확산 전극 및 여과기 요소가 장착된 전해액 셀을 제공하는 것이다.
다른 측면에서, 본 발명의 목적은 가스 확산 전극 및 여과기를 구비한 전해액 셀을 위한 개선된 전기 전류 공급 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 이온 교환 막에 의해 분리된 애노드 구획부 및 캐소드 구획부를 가진 전기분해 셀로 구성되고, 여기서 두 개의 구획부들의 적어도 하나는 두 개의 주 표면들을 가진 가스 확산 전극이 장착되고, 제 1 주 표면은 전해액 흐름에 의해 횡단되는 여과기와 접촉하는 막과 면하고, 제 2 주 표면은 제 1 주 표면과 대향하고 여과기쪽으로 가스 확산 전극을 압축하기에 적합한 다수의 탄성 도전성 돌출부들을 포함하는 전류 분배기와 접촉한다. 여과기로서 액체 흐름에 의한 중력에 의해 횡단하는데 적합한 임의의 다공성 평면 요소가 의도되며, 이는 WO/015290에 설명되어 있다. 하나의 바람직한 실시예에서, 종래 기술의 단단한 집전기 탄성 집전기 어셈블리를 대체하는 전류 분배기는 염소 알칼리 셀들에 대한 캐소드 컬렉터의 경우 예를 들어 니켈 시트인 단일 금속 시트로 절단 및 성형함으로써 얻어진다. 이 경우, 니켈 시트는 통상적으로 0.5 및 1.5mm 사이를 포함하는 두께의 시트이고, 바람직하게 접촉 저항을 감소시키기에 적합한 코팅을 구비한다. 시트의 니켈 재료는 다양하게 합금되고 예를 들어 여러 가지 상업적으로 판매되는 생산품들로부터 선택되고; 예를 들어 보다 우수한 탄성 특성들을 가진 스프링들을 제조하기에 적합한 등급 및 기계적 특성들의 니켈 재료의 선택은 특히 바람직하다는 것을 증명할 것이다. 하나의 특히 단순하고 효과적인 실시예에서, 전극에 충분한 압력을 가할 수 있는 도전성 돌출부들은 한 쌍으로 배열된 스프링 태그들이므로, 두 개의 인접한 스프링 태그들은 그들이 얻은 금속 시트의 주 평면으로부터 반대 방향으로 돌출한다. 이런 방식으로 전체 전극 표면의 매우 효과적이고 균일한 지지는 얻어진다. 상기된 해결책은 거의 모든 처리 조건들에서 최적의 셀 디자인에 적합하다; 그럼에도 불구하고, 높은 전류 세기에서 접촉 요소로서 종래 기술에 따른 매트리스의 사용은 간단한 박막 구조에 대해 결핍할 수 있는 효과적인 가스 순환(예를 들어 감극화된 염소 알칼리 전기분해의 경우, 가스 확산 전극에 산소의 효과적인 공급)을 허용하는 장점을 가진다. 이 경우, 특히 바람직한 실시예는 전기 접촉을 제공하기 위한 하나 또는 그 이상의 스프링 태그들을 포함하지만 또한 가스 통로를 위한 하나 또는 그 이상의 개구부들을 포함하는 개별 타일들 형태일 도전성 돌출부들을 제공한다. 도전성 돌출부들은 예를 들어 전체 전극 표면을 따라 분산된 평행한 로우들로 배열될 수 있다.
본 발명에 따른 전류 분배기는 바람직하게 0.1 및 0.5 kg/cm2 사이의 압력에서 가스 확산 전극 표면상에 직접 효율적인 전기 접촉을 달성하기에 적합하고, 이에 따라 단단한 집전기가 탄성 집전기에 결합되는 종래 기술의 시스템에 관련하여 접촉 인터페이스를 제거하고; 다른 한편으로는 본 발명의 일 실시예에서 기계적 압축력을 분산시키기 위한 부가적인 요소가 가스 확산 전극 및 전류 분배기 사이에 삽입될 수 있고, 상기 부가적인 요소는, 예를 들어, 얇은 메쉬(mesh) 또는 확장된 시트 또는 천공 시트로 구성된다. 상기 경우 접촉 인터페이스들의 수는 종래 기술과 동일하고, 그럼에도 불구하고 대응하는 저항은 가스 확산 전극과 직접 접촉하여 종래 기술의 거의 탄성이 없는 매트릭스로 얻어지는 것보다 실질적으로 낮다. 게다가, 당업자에 의해 쉽게 이해될 바와 같이, 셀의 전체 두께는 적당히 작아진다.
본 발명은 단순히 설명을 위한 것이고 본 발명을 제한하지 않는 첨부된 도면들의 도움으로 보다 상세히 기술될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 여과기 유형 감극화 염소 알칼리 셀을 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 여과 유형 감극화 염소 알칼리 셀을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 전류 분배기의 제 1 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 전류 분배기의 제 2 실시예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 전류 분배기의 제 3 실시예를 도시한다.
도 1에서, 이온 교환 막(500)에 의해 분리되는 하나의 애노드 구획부 및 하나의 캐소드 구획부를 포함하는 종래 기술에 따른 여과 유형 감극화 염소 알칼리 셀이 도시된다. 캐소드 구획부는 두 개의 별개의 요소들, 즉 일체형인 단단한 집전기(201), 및 예를 들어 니켈로 만들어진 매트리스로 구성된 탄성 집전기(210)에 따른 전기 전류 공급 시스템과 접촉하는 캐소드 후면 벽(101)에 의해 형성된다. 캐소드(301)는 한쪽 측면에서 매트리스(210)와 접촉하고, 다른 쪽에서 중력 작용 하에서 전해액 흐름에 의해 횡단되는 평면 다공성 요소로 구성된 여과기(400)와 접촉하는 산소가 공급되는 다공성 가스 확산 전극으로 구성된다. 분리기로서 작동하는 이온 교환 막(500)은 여과기(400)와 접촉하는 캐소드 표면 및 상기 캐소드 표면과 접촉하거나 미리 결정된 작은 거리에서 유지될 수 있는 애노드(302)와 면하는 애노드 표면을 가진다. 애노드(302)는 일반적으로 메쉬, 또는 확장되거나 천공 시트로 구성되거나, 선택적으로 두 개의 상기 요소들과 병렬로 구성된 티타늄 기판을 구비한다; 애노드 기판은 종래에 공지된 바와 같은 염화물 전개를 위한 촉매 코팅이 제공된다. 애노드(302) 및 애노드 구획부 후면 벽(102) 사이의 전기 연속성은 단단한 집전기(202)에 의해 보장된다. 캐소드측 단단한 집전기(201) 및 애노드측 단단한 집전기(202)는 리브 어레이들, 물결 모양 시트들, 적당히 이격된 고우퍼(gopher)를 구비한 시트들 또는 당업자에게 공지된 다른 유형의 집전기들을 포함할 수 있다. 도 2에서 본 발명에 따른 여과기 유형 감극화 염소 알칼리가 도시되고, 여기서 도 1의 셀과 공통의 요소들은 동일한 참조 번호들로 표시된다.
전기 전류 공급 시스템은 다수의 도전성 돌출부들(220), 예를 들어 여과기(400) 쪽으로 가스 확산 전극(301)을 압축하기에 적합한 스프링들 또는 탄성 스프링 태그들의 어셈블리로 구성되고; 도전성 돌출부들(220)의 어셈블리 및 가스 확산 전극(301) 사이에 기계적 압축력을 분산시키기 위한 선택적 요소(230)가 삽입되고, 예를 들어 얇은 메쉬, 또는 확장되거나 천공 시트가 있다.
도 3은 단일 금속 시트로부터 얻어지고 콤브(comb)형 기하구조에 따라 평행하게 배치된 탄성 스프링 태그들(221)의 어셈블리의 경우로 구성되는 다수의 도전성 돌출부들의 일 실시예를 도시한다: 스프링 태그들은 한 쌍들로 배열되어, 각각 두 개의 스프링 태그들은 본래 금속 시트의 주 평면으로부터 반대 방향으로 돌출한다. 셀 크기에 따라, 스프링 태그들(221)의 단일 로우는 전체 액티브 표면을 커버하거나, 당업자에게 명백할 바와 같이, 보다 많은 로우들은 나란히 배열될 수 있다.
도 4는 단일 금속 시트로부터 얻어진 다수의 도전성 돌출부들의 바람직한 실시예를 도시한다: 이 경우 돌출부들은 시트의 절단 및 성형, 선택적으로 단단한 집전기(201)에 직접 용접에 의해 얻어진 4변형 개별 타일들(222)이고, 이들 타일들 각각은 다른 기능들을 수행하는 요소들을 포함하고: 예를 들어 적합한 폴딩 단계에 의해, 각각의 타일은 요구된 스티프니스(stiffness)를 가하기 위하여 약 90°(223)의 곡률 각도를 가진 에지들이 제공된다. 다수의 적당히 이격된 스프링 태그들(224)은 가스 확산 전극(301)을 가진 접촉 요소로서 작동하고, 다수의 홀들(225)은 캐소드 반응을 위하여 요구된 산소에 대한 특정 참조의 경우 가스 공급 및 순환을 조장한다. 단단한 집전기(201)에 용접된 다양한 타일들은 바람직하게 선택적으로 오프셋 평행 로우들 상에 배열된다.
도 5는 단일 금속 시트로부터 얻어진 다수의 도전성 돌출부들의 도 4에 도시된 바람직한 실시예의 변형을 도시한다: 이 경우 본래 금속 시트는 천공 시트이고, 다수의 홀들(225')은 스프링 태그들(224)을 포함하는 타일(222)의 전체 몸체 상에서 연장한다. 이런 방식으로 강화된 가스 공급은 얻어지고, 또한 시트와 접촉하게 돌출하는 행정의 끝까지 스프링 태그들(224)이 압축될 때 효과적이다. 비록 제조 단계에서 약간의 절약이 얻어질 수 있지만, 마진 절약은 도 4의 타일(222)로 표시된 홀들(225)의 독립적인 실행으로 얻어진다. 타일 구성은 또한 추가의 기계적인 장점을 제공한다: 갑작스러운 캐소드 반대 압력의 경우(예를 들어 처리 조건들의 제어시 에러들 또는 요소 조작 및 어셈블링 잘못들로 인해), 스프링 태그들은 전체 타일 표면상 GDE의 인접 부분에서 영구적인 변형을 겪지 않는다. 이 경우, 타일들이 천공 시트로부터 얻어진다는 사실은 당업자에게 명백할 바와 같이 임의의 경우 올바른 가스 공급을 보장하기 위하여 보다 중요하다.
실시예 1
0.16m2의 액티브 영역의 랩 실험 전기 분해 셀은 도 2의 방법에 따라 루테늄 및 티타늄 산화물 바탕 촉매 코팅을 구비한 티타늄 DSA®애노드(302), Dupont/USA에 의해 상업화된 Nafion®N982 이온 교환 막(500), 니켈 폼 여과기, 은 바탕 촉매로 순수하게 활성화된 은으로 구성된 가스 확산 전극이 장착되었다.
전기 전류 공급 시스템은 1mm 두께 니켈 천공 시트로부터 얻어진 도 5에 도시된 바와 같은 타일(222)을 각각 포함하는 다수의 탄성 도전성 돌출부들로 구성되었다.
셀 애노드 구획부는 4 kA/m2의 전류 및 90℃ 온도에서 210g/l의 농도를 가진 순환하는 소듐 염화물 소금물이 공급되었다. 캐소드 형성물은 여과기를 가로질러 아래로 흐르는 32중량%의 부식성 소다로 구성된다. 이들 조건들에서, 10일 동안 플랜트상에서 처리 조건들을 안정화한 후, 2.00 및 2.05V 사이로 구성된 셀 전압은 검출되었다.
실시예 2
실시예 1의 검사는 종래 기술의 셀을 사용한 것과 유사한 조건들에서 반복되었다. 그러므로 단지 실질적인 차이는 상업적 니켈 매트리스에 결합된 캐소드 후면 벽에 용접된 니켈 리브 어레이로 구성된 단단한 집전기 구조를 포함하는 캐소드 전류 공급 시스템에 있다.
실시예와 동일한 처리 조건들에서, 10일의 안정화 후, 2.10 및 2.15V 사이의 셀 전압은 검출되었다.
상기 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않고, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 다른 실시예들에 따라 사용될 수 있고, 그 범위는 첨부된 청구항들에 의해서 명료하게 정의된다.
본 출원의 상세한 설명 및 청구항들을 통하여, 용어 "포함하다" 및 "포함하는"과 같은 변형들은 다른 요소들 또는 첨가물들의 존재를 배제하지 않는다.

Claims (12)

  1. 이온 교환 막에 의해 분리되는 애노드 구획부 및 캐소드 구획부를 포함하는 유형의 전기분해 셀로서, 상기 구획부들 중 적어도 하나에는 두 개의 주 표면들을 가진 가스 확산 전극이 장착되고, 상기 가스 확산 전극의 제 1 주 표면은 상기 막과 면하고(facing) 전해액 흐름이 횡단하기에 적합한 평면 다공성 요소와 접촉하고, 상기 가스 확산 전극의 제 2 주 표면은 상기 평면 다공성 요소 쪽으로 상기 가스 확산 전극을 가압하기에 적합한 다수의 탄성 도전성 돌출부들을 포함하는 전류 분배기와 접촉하고, 상기 도전성 돌출부들은 다수의 스프링 태그들 및 가스순환을 위한 적어도 하나의 개구를 포함하는 사각형의 개별 타일들인, 전기분해 셀.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다수의 도전성 돌출부들은 상기 가스 확산 전극상에 0.1 내지 0.5 kg/cm2의 압력을 가하는, 전기분해 셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 다수의 도전성 돌출부들을 포함하는 상기 전류 분배기는 금속 시트(sheet)의 절단 및 성형에 의해 얻어지는, 전기분해 셀.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 스프링 태그들(spring tags)은 빗 형상 기하구조(comb-like geometry)에 따라 배치된, 전기분해 셀.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 스프링 태그들은 인접한 쌍들로 배열되고 상기 쌍들 각각의 스프링 태그들은 상기 금속 시트의 주 평면으로부터 반대 방향으로 돌출하는, 전기분해 셀.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 시트는 0.5 내지 1.5 밀리미터의 두께를 가진, 전기분해 셀.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 시트는 천공 시트(punched sheet)인, 전기분해 셀.
  10. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 시트는 니켈로 만들어진, 전기분해 셀.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 니켈 시트는 상기 돌출부들에 대응하여 전기 접촉 저항을 감소시키기에 적합한 코팅을 구비하는, 전기분해 셀.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 기계적 압축력(mechanical compression force)을 분산시키기 위한 부가적인 요소를 포함하고, 상기 부가적인 요소는 메쉬들(meshes), 천공 시트들, 및 확장된 시트들의 그룹으로부터 선택되고, 상기 전류 분배기와 상기 가스 확산 전극 사이에 삽입되는, 전기분해 셀.
KR1020087020039A 2006-01-16 2007-01-15 셀들을 여과하는 탄성 전류 분배기 KR101362680B1 (ko)

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