KR102400469B1 - 전해셀 및 전해셀용 전극판 - Google Patents

Abstract

표면의 막의 소모도에 불균형이 생기지 않고, 또한, 전극의 이면도 유효하게 사용됨으로써 전극의 비용 대비 효과도 높고, 또한 용액의 흐름이 균일하기 때문에 쓰루 패스 등에 의한 전해 효율의 저하를 방지할 수 있으며, 더욱이 또한, 차아염소산나트륨 수용액의 분해 방지를 위해 희석했을 경우의 전류 밀도가 저하에도 대응할 수 있는 전해셀을 제공한다.
복수의, 대략 원형의 전극부(3)을 가지는 전극판(2)과, 전극판(2)을 지지하는 복수의 전극판 지지체(3)을 가진 전해셀(1)로서, 전극판 지지체(5)에, 전극부(3)와 대략 동일한 형상의 단면을 가진 원통형상이고, 수평방향으로 중심축을 가지는 관통 구멍(6)이 형성되어 있으며, 전극판(2)과 전극판 지지체(5)가 서로 다르게, 전극판(2)이 전극판 지지체(5)에 협착되도록 가로로 설치됨으로써, 전극판 지지체(5)의 관통 구멍(6)과, 그것을 양쪽으로부터 끼우는 전극판(2)으로 전해실(7)이 구성되며, 관통 구멍(6)의 측벽 하부에 원료 공급 구멍(9)을, 관통 구멍(6)의 측벽 상부에 제품 배출 구멍(10)을 가지고 있다.

Description

전해셀 및 전해셀용 전극판

본 발명은, 전해셀 및 전해셀용 전극판에 관한 것이다.

근년, 전해수 생성 장치의 전해셀로서, 여러가지가 개발되고 있다. 특허문헌 1에는, 음극과, 음극에 대해서 소정거리를 두고 대향 배치된 양극과, 음극과 양극의 사이에 설치된 격막과, 음극과 격막과의 사이에 설치되어, 원수(原水)를 입구에서 출구로 유통시키는 음극 유로를 포함하고, 음극과 양극 사이에 전압을 인가하여 전해수를 생성하는 전해수 생성 장치가 개시되어 있다. 이 장치에서는, 양극과 격막의 사이에 각각 접하도록 원수를 통과시키는 통수성 부재를 설치하여, 음극 유로를 흐르는 원수의 일부를, 격막을 통과시키고, 보다 더 통수성 부재를 통과시켜, 양극 표면에서 생성된 수소 이온과 함께 상기 원수의 일부를 계외(系外)로 배수시킴으로써, 전해 전압을 낮게 억제함과 동시에 배수량을 줄여도 소망의 pH값으로 한 전해수를 효율 좋게 제공할 수 있다고 되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는, 이온투과성의 격막을 개재하여 대향 배치된 한 쌍의 전해실과, 격막을 사이에 두고 전해실에 설치된 한 쌍의 전극을 가지고, 또한, 전극이 격막에 밀착하여 형성된 막-전극 구조체와, 전해실의 내벽면에 설치되며, 선단부에서 막-전극 구조체에 압접하는 돌출부와, 전해실의 내벽을 따라 형성된 집전체를 가지는 전해수 생성 장치의 전해조가 개시되어 있다. 이 장치에서는, 집전체는 증착 또는 도금에 의해 형성된 도전성 금속부재층으로 이루어지며, 전해실과 격막과의 사이에, 접속부재로서 도전성의 금속패킹을 가지며, 더욱이, 전해실은, 막-전극 구조체의 양쪽의 서로 대향하는 위치에 돌출부를 가지고, 전극은, 도전성 분체를 포함한 다공질체로 이루어짐으로써, 막-전극 구조체의 전극에 대해서 확실히 충분한 전력을 공급할 수 있다고 되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는, 이온투과성의 격막을 개재해서 대향 배치된 한 쌍의 전해실과, 원수 공급 수단과, 격막을 끼워서 각 전해실에 설치된 한 쌍의 전극과, 전해수를 꺼내는 전해수 추출수단을 가지며, 격막은 음이온 투과막이며, 전극은 음이온 투과막의 양 표면에 밀착하여 음이온 투과막과 일체로, 또한, 음이온투과막의 일부를 노출시켜 형성되어 있는 전해조와 전해수 생성장치가 개시되어 있다. 이 장치에서는, 음극쪽의 전해실에 공급되는 원수만이 전해질을 포함하고, 또한, 전극은, 도전성의 분체로부터 형성된 다공질체이거나, 메시 형상 또는 빗 형상으로 형성되어 있으며, 전극은, 도전성 분체를 포함한 도전성 페이스트를 음이온 투과막의 표면에 도포하여, 가열 또는 가압함으로써 형성됨으로써, 소형으로 전해 효율이 뛰어나고, 산성 전해수 중의 음이온 농도를 저감할 수 있다고 되어 있다.

특허 문헌 1: 특개 2007-75730호 공보 특허 문헌 2: 특개 2006-152318호 공보 특허 문헌 3: 특개 2005-144240호 공보

그러나, 종래의 어떤 전해셀에서도, 수소 가스의 배출이 원활하지 않을 경우, 전극판 표면이 노출되어 전류밀도가 저하된다는 문제점이 있었다. 기포로 되어 전극 표면에 생성하는 수소 가스의 배출을 촉진하기 위해서는, 교반기(stirrer) 등에 의한 교반이 유효하지만, 그것을 이용한 경우에도 수류를 평면인 전극 표면에 균일하게 대는 것은 어렵고, 치환율이 일정하게 되지 않기 때문에 전극부위에 의해 표면의 막의 소모도에 불균형이 생길 가능성이 높다. 표면의 막은 일부라도 결손되었을 경우에는, 전극마다 교체할 수 밖에 없는, 즉, 부위에 따라서는 충분한 막 두께가 있어도 사용불가로 되기 때문에, 전극 수명의 손실이 크고, 전극의 비용 대비 효과가 낮다는 문제점이 있었다.

또한, 전극의 뒷면은 전류밀도가 작아, 거의 유효하게 사용되지 않음에도 불구하고, 내식성을 유지하기 위해, 코팅이 필요하게 된다. 이 때문에, 전극의 단위 면적당의 전류밀도가 낮아져서, 역시, 전극의 비용 대비 효과가 낮아진다는 문제점도 있었다.

또한, 종래의 전해셀에서는, 연속적으로 송액하여 전해하는 경우. 용액의 흐름이 균일해지기 어렵고, 쓰루 패스(through pass) 등의 요인에 의해 전해효율, 즉 변환효율이 저하되는 경우가 있다는 문제점도 있었다.

또한, 생성된 차아염소산나트륨 수용액의 실온에서의 분해속도가 크고(24시간에서 10%), 실용상 보존 불가하기 때문에, 즉시 분해하지 않는 농도(1000ppm이하)까지 희석하거나, 또는 5°C이하의 저온 보존이 필요하지만, 즉시 분해하지 않는 농도까지 희석했을 경우에는 전류 밀도가 저하된다는 문제점도 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 수소 가스의 배출이 원활하고, 또한, 수류(水流)가 평면인 전극 표면에 균일하게 닿기 위한 표면의 막의 소모도에 불균형이 생기지 않고, 더욱이, 전극의 이면도 유효하게 사용되므로 전극의 비용 대비 효과도 높고, 또한, 용액의 흐름이 균일하므로 쓰루 패스 등에 의한 전해 효율의 저하를 방지할 수 있으며, 더욱이 또한, 차아염소산나트륨 수용액의 분해 방지를 위해 희석했을 경우의 전류 밀도의 저하에도 대응할 수 있는 전해셀 및 그것에 사용되는 전해셀용 전극판을 제공하는 데 있다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 열심히 검토한 결과, 전해셀 및 전해셀용 전극판을 특정의 구조로 함으로써, 상기 과제를 해결할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 전해셀은, 복수의, 대략 원형의 전극부를 가진 전극판과, 해당 전극판을 지지하는 복수의 전극판 지지체를 가지는 전해셀로서, 상기 전극판 지지체에, 상기 전극부와 대략 동일한 형상의 단면을 가진 원통형상으로, 수평 방향으로 중심축을 가진 관통 구멍이 형성되어 있으며, 상기 전극판과 상기 전극판 지지체가 서로 다르게, 상기 전극판이 상기 전극판 지지체에 협착되도록 가로로 놓여짐으로써, 상기 전극판 지지체의 상기 관통 구멍과, 그것을 양쪽으로부터 끼우는 상기 전극판으로 전해실이 구성되며, 상기 관통 구멍의 측벽 하부에 원료 공급 구멍을, 상기 관통 구멍의 측벽 상부에 제품 배출 구멍을 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 전해셀은, 제품 배출 구멍이, 상기 관통 구멍의 상기 측벽 상부에 적어도 2개 구비되어 있는 것이 바람직하며, 차아염소산 생성에 이용되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 전해셀용 전극판은, 본 발명의 전해셀에 사용되는 전해셀용 전극판으로 대략 원판 형상인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 전해셀 및 그것에 사용되는 전해셀용 전극판에 의하면, 수소 가스의 배출이 원활하고, 또한, 수류가 평면인 전극 표면에 균일하게 닿기 때문에 표면의 막의 소모도에 불균형이 생기지 않고, 더욱이 전극의 이면도 유효하게 사용되므로 전극의 비용 대비 효과를 높일 수 있다. 또한, 용액의 흐름이 균일하기 때문에 쓰루 패스 등으로 인한 전해 효율의 저하를 방지할 수 있고, 더욱이 또한, 차아염소산나트륨 수용액의 분해 방지를 위해 희석했을 경우의 전류밀도가 저하에도 대응할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시 형태에 관한 전해셀의 조립 방법을 나타낸 설명도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 전해셀의 조립 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 전해셀의 전해실의 폭 방향 중앙에서의 운전 상태를 나타낸 정면 단면도이다.
도 4는, 도 3중의 A-A'선을 따른 단면에서의 전해셀의 운전 상태를 나타낸 부분 단면도이다.
도 5는, 본 발명의 일실시 형태에 관한 전해셀의 운전 상태를 나타낸 설명용 모식도이다.

[발명을 실시하기 위한 형태]

이하, 본 발명의 구체적 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된, 본 발명의 일실시 형태에 관한 전해셀(1)은, 복수의, 대략 원형의 전극부(3)을 가진 전극판(2)과, 전극판(2)을 지지하는 복수의 전극판 지지체(5)를 가진다. 전극판 지지체(5)에는, 전극부(3)와 대략 동일 형상의 단면을 가진 원통 형상으로, 수평 방향으로 대칭축을 갖는 관통 구멍(6)이 깊이 방향으로 설치되어 있으며, 전극판(2)과 전극판 지지체(5)가 서로 다르게, 전극판(2)이 전극판 지지체(5)에 협착되도록 가로로 놓여 있다. 전극판 지지체(5)의 관통 구멍(6)과, 그것을 양쪽에서 끼우는 전극판(2)으로 전해실이 구성된다. 관통 구멍(6)의 측벽 하부에는 원료 공급 구멍(9)이, 관통 구멍(6)의 측벽 상부에는 제품 배출 구멍(10)이 형성되어 있다.

전극판(2) 및 전극판 지지체(5)를 서로 다르게 가로로 놓인 개수는, 전해셀(1)에 요구되는 전해 능력이나, 설치 영역의 면적 등에 따라 임의로 선택할 수 있다.

전극판(2)은, 전극부(3)와 단자부(4)로 이루어지며, 양극 전극판(2a)과 음극 전극판(2b)이 번갈아 가며, 또한, 양극 전극판(2a)의 단자부(4)의 방향과 음극 전극판(2b)의 단자부(4)의 방향이 역방향이 되도록 설치된다. 전극판(2)에는, 전해셀의 전극판에 통상 사용되는 재질, 예를 들면 표면에 막처리가 된 티타늄이나 카본을 사용할 수 있다. 또한, 전극부(3)와 단자부(4)를 일체로 성형함으로써, 전극판(2)의 접촉 저항을 없앨 수 있다.

전극 지지체(5)는, 내약품성의 재질인 것이 바람직하다. 특히, 투명하고, 운전상태의 모니터가 용이한 수지인 아크릴수지인 것이 바람직하다.

본 발명의 전해셀(1)은, 전해실의 기본적인 구성요소인 전극판(2) 및 전극 지지판(5)에 특수한 재료를 이용하지 않고, 또한 구조도 복잡하지 않기 때문에, 제작이나 유지 보수에 드는 비용을 낮출 수 있다.

본 발명의 전해셀(1)에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 전해액은 원료 공급 헤더(8)에서, 관통 구멍(6)의 측벽 하부에 연통하는 원료 공급 구멍(9)을 경유하여 원통형의 전해실(7) 내에 도입된다. 원료 공급 구멍(9)의 직경을 전해실(7)의 폭(전극판 지지체(5)의 깊이 방향의 폭)에 대해 작게 하고, 또한, 원료 공급 구멍(9)과 전해실(7)의 접속점을, 도 3 및 4에 나타내는 것과 같이, 전해실(7)의 폭 방향의 중앙부에 위치시킴으로써, 전극부(3) 표면 부근의 유속의 상승이 억제되면서, 전해실(7)의 폭 방향 중앙에, 전해실(7)의 내벽을 따라 유속을 갖는 세로 방향의 선회류(旋回流)가 발생한다. 이 때, 유속은 전해실 내에 난류가 발생하지 않는 범위로 한다. 이로 인해, 본 발명의 전해셀(1)에서는, 국소적으로 전류 밀도가 상승 또는 저하되지 않고, 균일한 전류밀도를 얻을 수 있어, 전극부(3)의 소모의 균일화와 장수명화가 가능해진다. 또한, 전해실(7) 내의 세로 방향의 선회류의 발생을 보다 촉진하기 위하여, 원료 공급 구멍(9)은, 관통 구멍(6)의 측벽 하부에 적어도 두 개를 갖추고 있는 것이 바람직하다.

또한, 수소 가스를 포함하는 생성물은, 관통 구멍(6)의 측벽 상부에 접속하는 제품 배출 구멍(10) 경유하여 제품 헤더(11)에 배출된다. 수소 가스는 전해실(7)에 발생하는 세로 방향의 선회류에 동반되면서 배출되기 때문에, 전해실(7) 내에서 생성하는 수소 가스가 전해질(7) 내에 체류하지 않고, 전극부(3) 표면의 노출이나, 그에 따른 전류 밀도 저하를 방지할 수 있다. 또한, 전해실(7) 내에서 생성하는 수소 가스의 배출을 보다 촉진하기 위해, 제품 배출 구멍(10)은, 관통 구멍(6)의 측벽 상부에 적어도 두 개 구비되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 같은 이유로, 제품 배출 구멍(10)은, 배출의 방향을 향해 상향으로 설치되어 있는 것이 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명에서의 전해셀(1)에 따르면, 전해실(7) 내에서 생성하는 수소 가스에 의한 전극부(3) 표면의 노출이나, 그에 따른 전류밀도 저하를 방지하면서, 국소적으로 전류 밀도가 상승 또는 저하되지 않고 균일한 전류 밀도를 얻을 수 있다. 이 때문에, 전극부(3)의 소모가 균일해져서, 장수명화가 가능해지고, 전극판(2)의 비용 대비 효과가 높아진다. 더욱이, 전극판(2)을 전극판 지지체(5)에 협착할 때 O링(12)을 사용함으로써, 제작이나 유지 보수에 드는 비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 가장 결손하기 쉬운 전극부(3) 단부의 표면막을, 도금하지 않고 보호할 수 있어, 전극판(2)의 비용 대비 효과를 더욱 높일 수 있다.

또한, 본 발명의 전해셀(1)에서는, 1매의 전극판(2)이, 서로 인접한 전해실(7)끼리 공유된다는 점에서, 전극부(3)의 이면도 효율적으로 활용되는 것으로 된다. 이에 따라 전극부(3)의 단위 면적당의 전류밀도가 높아져서, 전극판(2)의 비용 대비 효과가 더 높아진다. 1매의 전극판(2)이, 서로 이웃하는 전해실(7)끼리 공유되는 것은, 전극판(2)의 집적화에 의한 전해셀(1)의 소형화에도 기여한다.

또한, 전술한 바와 같이, 전해실(7)의 폭 방향 중앙에 세로 방향의 선회류가 발생함으로써, 전해액의 쓰루 패스 또는 체류도 방지된다. 이 때문에, 용액의 흐름이 균일해져서 전해질(7) 내의 전해 효율, 즉 변환 효율이, 안정, 상승하는 것은 물론, 과도한 전해 및 그것에 기인하는 온도 상승이 방지되어, 생성한 차아염소산나트륨 수용액의 분해, 염소산화의 방지에도 연결되게 된다.

전술한 바와 같이, 생성된 차아염소산나트륨 수용액의 분해를 방지하기 위해서는, 즉시 분해하지 않는 농도까지 희석하는 것도 유효하지만, 본 발명의 전해셀(1)에 의하면, 전극판(2) 끼리의 거리를 최소로 할 수 있다는 점에서, 이 경우의 전류밀도의 저하에도 대응할 수 있다.

도 5에, 본 발명의 일실시 형태에 관한 전해셀의 운전 상태를 도시하는 설명용 모식도를 도시한다. 전술한 바와 같이, 전해액은, 원료 공급 헤더(8)에서, 관통 구멍(6)의 측벽에 연통하는 원료 공급 구멍(9) 경유로 원통형의 전해실(7) 내에 도입되어 전해에 제공되며, 수소 가스를 포함한 생성물은, 관통 구멍(6)의 측벽에 접속하는 제품 배출 구멍(10) 경유로 제품헤더(11)로 배출된다. 또한, 1매의 양극 전극판 (2a)은, 그 양쪽 옆의 음극 전극판(2b1) 및 (2b2) 각각과 전기 회로를 형성하기 때문에, 전해실(7a) 및 (7b)에서 공유되는 것으로 된다.

여기서, 동일한 양극 전극판(2a)과 전기 회로를 형성하는 음극 전극판(2b1) 및 (2b2)과, 직류 전원(13)을 연결하는 각 전기 회로상의 전류확인개소(14)에서 전류값을 확인함으로써, 운전 상태나, 각 전극판(2)의 전극부(3)의 소모정도를 모니터 할 수 있다.

또한, 1매의 전극판(2)이, 서로 인접한 전해실(7)끼리 공유되는 본 발명의 전해셀(1)에 있어서도, 전해셀(1)의 양 끝에 설치된 양극 전극판(2c)과 음극 전극판 (2d)에 대해서는 운전 중에 뒷면을 유효하게 활용하기는 어렵다. 그러나, 양극 전극판(2c)과 음극 전극판(2d)의 표면이 소모되었을 때에는, 뒤집어서 뒷면을 사용함으로써 각 전극판(2)의 비용 대비 효과를 높일 수 있다.

본 발명의 전해셀(1)은, 모든 전기분해에 사용할 수 있지만, 전해수의 제조에 이용되는 것이 바람직하며, 차아염소산 제조에 이용되는 것이 특히 바람직하다.

이상과 같이, 본 발명에서의 전해셀(1)에 따르면, 원활한 수소 가스의 배출과 균일한 전류밀도에 의한 전극부(3)의 장수명화와, 전극부(3)의 뒷면의 유효활용화에 의해, 전극판(2)의 비용 대비 효과의 향상과 전극판(2)의 집적화에 의한 소형화가 가능해진다. 또한, 본 발명의 전해셀(1)에 따르면, 전해액의 쓰루 패스나 체류도 방지할 수 있다는 점에서 전해효율, 즉 변환효율의 안정, 상승은 물론 생성된 차아염소산나트륨 수용액의 품질의 안정화도 도모할 수 있다.

본 발명에서의 전해셀(1)은, 전극판(2)과 전극판 지지체(5)가 서로 다르게, 전극판(2)이 전극판 지지체(5)에 협착되도록 가로로 놓임으로써, 전극판 지지체(5)의 관통 구멍(6)과, 그것을 양쪽에서 끼우는 전극판(2)으로 전해실(7)이 구성되지만, 마찬가지로 전극판(2)과 전극판 지지체(5)를 사용하면서, 도 1에서, (2b)의 전극의 위치에 예를 들면 세라믹스제 격막이나, 이온 교환막을 설치하고, 이것을 끼우는 (2a)의 전극의 위치에 양극 전극판(2a)과 음극 전극판(2b)을 설치하고, 그것을 반복해서 가로로 놓는 구성으로 함으로써, 격막법이나, 이온 교환막법의 전해셀에 응용할 수 있다. 단, 이 경우, 원료 및 제품이, 양극 전해실, 음극 전해실에서 달라지기 때문에, 예를 들어, 원료 공급 헤더(8) 및 제품 배출 헤더(11) 각각을, 양극 전해실용, 음극 전해실용으로 구분하여 설치하는 구조로 변경할 필요가 있다.

1: 전해셀
2: 전극판
2a, 2c: 양극 전극판
2b, 2b1, 2b2, 2d: 음극 전극판
3: 전극부
4: 단자부
5: 전극판 지지체
6: 관통 구멍
7, 7a, 7b: 전해실
8: 원료 공급 헤더
9: 원료 공급 구멍
10: 제품 배출 구멍
11: 제품 배출 헤더
12: O링
13: 직류전원
14: 전류확인개소

Claims (4)

1. 복수의, 원형 전극부와 단자부를 가진 양극 전극판 및 음극 전극판과, 해당 양극 전극판 및 음극 전극판을 지지하는 복수의 전극판 지지체를 가진 전해셀로서,
   상기 전극판 지지체에, 상기 전극부와 동일한 형상의 단면을 가진 원통형상이고, 수평방향으로 중심축을 가진 관통 구멍이 형성되어 있으며,
   상기 양극 전극판과 상기 음극 전극판이 번갈아 가며 양극 전극판의 단자부의 방향과 음극 전극판의 단자부의 방향이 역방향이 되도록, 그리고 상기 양극 전극판 및 상기 음극 전극판이 상기 전극판 지지체에 협착되도록 가로로 놓임으로써, 상기 전극판 지지체의 상기 관통 구멍과, 이 관통구멍을 양쪽에서 끼우는 상기 양극 전극판 및 상기 음극 전극판으로 전해실이 구성되고,
   상기 관통 구멍의 측벽 하부에 원료 공급 구멍을, 상기 관통 구멍의 측벽 상부에 제품 배출 구멍을 가지는 것을 특징으로 하는 전해셀.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제품 배출 구멍이, 상기 관통 구멍의 상기 측벽 상부에 적어도 2개 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 전해셀.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   차아염소산 생성에 이용되는 것을 특징으로 하는 전해셀.
4. 삭제

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