KR19980033187A - 전극 및 전극 제조방법 - Google Patents

Abstract

티타늄은 전기화학 분야에서 전지 및 전극에 사용된다. 이 경우에, 레이저 용접과 같은 방법 대신에 저항용접과 같은 전기적 접촉용접방법을 사용하는 것이 목적이다. 예컨대 막공정에서 막을 손상시키지 않도록 예리한 가장자리가 없는 매끈하고 평탄한 전극표면을 얻는 것이 중요하다. 전극의 손상된 영역은 전극 표면상의 전류분포에 큰 차이를 일으켜 막을 파괴한다. 용접조건역시 용접될 부분간의 양호한 접촉에 달려있다. 본 발명은 아래에 놓인 베이스구조물(1;11)에 부착된 전극구조물(3;14)을 포함하는 전극제조방법에 관계하는데, 본 방법은 (a) 베이스구조물(1;11)을 전극구조물(3;14)에 적용하고 상기 베이스구조물과 상기 전극구조물사이에 접촉필라멘트(2;12)를 적용하고; (b) 조인트(15)에서 전기적 용접에 의해 상기 베이스구조물, 전극구조물 및 접촉필라멘트를 연결하는 단계를 포함한다. 본 발명은 또한 본 방법에 의해 제조된 전극, 본 발명에 따른 전극을 포함하는 전해전지, 및 이러한 전극의 전기분해에 사용에도 관계한다.

Description

전극 및 전극 제조방법

본 발명은 구조물사이에 전기용접된 접촉필라멘트에 의해 아래에 놓인 베이스구조물에 고정된 전극구조물을 포함하는 전극, 이러한 전극제조방법, 본 발명에 따른 전극을 포함하는 전해 전지, 및 전기분해용 전극에 관계한다.

오늘날, 티타늄은 탁월한 재료특성 때문에 진보된 전기화학 분야에서 전지 및 전극에 사용되는 가장 보편적인 재료이다. 그러나, 티타늄은 빈약한 도체여서 양극으로서 작동할 때 부동태화된다. 이러한 부동태화는 공업용 전지에서 티타늄의 적절한 활성화에 의해 극복된다. 수많은 전기화학 공정에서 막이 사용된다. 막은 매우 얇으며 부서지기 쉽다. 막은 또한 전류밀도 변화에 민감하다. 게다가, 막을 손상시키지 않기 위해서 깨끗하고 매끈하고 평탄한 전극표면을 갖는 것이 중요하다.

전극의 코팅은 일종의 세라믹재로 이루어지므로 실제로 용접을 목적으로 하지 않아서 용접 조인트 둘레나 근처에서 용융 및 변형을 일으킨다. 그러므로 코팅된 전극표면이 용접될 때 코팅이 종종 손상된다. 전극표면상에서 코팅이 손상된 영역에서 전류는 손상된 영역 둘레의 다른 경로를 취한다. 오늘날 전지는 더 높은 전류밀도 및 전류량을 가지므로 손상된 영역으로 인해 전극표면상에 전류분포가 큰 차이를 가지게 된다. 주석 및 항복성 막은 전극표면상의 전류밀도차로 인해 손상될 수 있다.

막의 품질은 지금까지 전지에서 가능한 전류밀도를 제한시켰다. 그러나 개발중인 미래의 막은 오늘날 막보다 단위면적당 2배정도까지의 전류를 견딜 수 있다. 따라서 전류밀도의 변화를 견디는 전극구조를 가지는 전지에 대한 수요는 증가할 것이다.

많은 전기분해 공정에서 아래에 놓인 구조물에 용접된 그물망, 팽창된 메쉬, 와이어 게이지, 그리드, 나사 또는 봉형 전극표면을 포함하는 전극이 사용된다. 이들은 점용접(저항용접법)을 사용하여 보통 용접된다. 저항용접 및 기타 접촉용접공정(전기)에 의해 수행된 용접작업에서 전원은 교류나 직류이다. 용접의 품질은 전류밀도 및 전원의 종류와 같은 몇가지 조건에 달려있다. 용접시간 및 전극의 기계적 압력도 중요한 인자이다.

용접조인트의 질은 연결될 표면간의 전기적 접촉에 달려있다. 전극이 보통 빈약한 전도성을 갖는 촉매활성물질로 덮혀있다는 사실 때문에 용접공정에서 전기적 접촉문제가 항상 존재한다. 빈약한 전기적 접촉은 표면상에 손상을 가져오는 전기 아아크를 야기할 수 있다. 빈약한 접촉은 더 오랜 접촉시간을 필요로 하므로 증가된 열로 인해 인장 및 변형을 일으킬 수 있다. 접촉을 개선하는 한가지 방법은 전극상의 기계적 압력, 즉 용접될 재료상에 놓인 전극위로의 힘을 증가시키는 것이다. 그러나, 전극의 증가된 압력은 용접 조인트를 둘러싸는 재료상의 표면에 손상을 야기시킨다. 용접시 조건이 올바르지 않을 경우 막을 손상시키는 평평하지 않은 표면 (용접 스파크 때문에)을 가져올 수 있고 그 결과 전극표면의 코팅이 손상될 수 있다.

US-A-5,373,134 는 전방면에 채널형성 나사가 있는 전극을 발표한다. 나사는 각 나사를 따라 무접촉 용접된 복수의 고정점을 수단으로 아래에 놓인 구조물에 용접된다. 그러나 레이저 용접 등을 사용한 나사의 기초구물에 용접은 꽤 복잡하며 시간소모적이며 어려운 작업이다.

DE-B-2538000 은 베이스 플레이트와 그리드형 전극을 포함하는 2극 전극구조물을 발표한다. 전극으로 역할을 하는 봉이 아래에 놓인 안정화봉에 연결되어서 허용가능한 기계적 강도를 갖는 그리드를 형성하여 그리드를 함께 유지한다. 그리드가 베이스 구조물에 용접되기 이전에 조립이 이루어진다. 이러한 전극은 막전지에서 사용되지 않는다.

EP-B1-0044035 는 돌출부가 있는 판재료로된 전극에 관계하며 상기 돌출부는 예컨대 용접에 의해 판에 부착된다.

게다가, 아래에 놓인 표면에 나사의 연결을 위해 크고 조잡한 연결방법이 사용될 수 있음은 당해분야의 숙련자에게 공지되며 용접시 조인트에 사용되는 크고 조잡한 연결 방법은 잘 한정되고 양호한 접촉을 위해서만 사용되지는 않는다.

본 발명에 따른 방법은 상기 결점이 최소화되는 전극 제조 방법을 제공한다.

도 1 은 접촉필라멘트가 아래에 놓이는 베이스구조물에 부착되는 전극의 평면도로 접촉필라멘트와 전극구조물의 다양한 단면이 도시된다.

도 2 는 접촉필라멘트와 전극구조물이 제공된 중공 베이스 구조물의 측단면도이다.

도 3 은 나사전극의 구축을 보여주는 개략적 평면도이다.

도 4 는 도 3 전극의 측단면도이다.

도 5 및 도 6 은 전극구조물로서 역할을 하는 나사형 완성전극의 측단면도이다.

* 부호 설명

1,11...베이스 구조물 2,12...접촉필라멘트

3...전극구조물 3a...메쉬

3b...그리드 3c...펀칭된 금속판

4,5...플랩(flap) 13,14...나사

16...채널

본 발명은 아래에 놓인 베이스 구조물에 부착된 전극구조물을 포함하는 전극제조 방법에 관계하는 것으로, 본 방법은 다음 단계를 포함한다:

(a) 베이스 구조물상에 전극구조물을 적용하고 상기 베이스 구조물과 상기 전극구조물사이에 접촉 필라멘트를 적용하며;

(b) 조인트에서 전기용접에 의해 상기 베이스구조물, 전극구조물 및 접촉 필라멘트를 연결한다.

접촉 필라멘트는 매끄럽고 내구성 있는 용접을 위해 제공되며 높은 기계적 강도를 갖는 조인트가 형성된다.

접촉 필라멘트는 임의의 순서로 적용될 수 있다. 각 접촉 필라멘트가 먼저 베이스구조물에 적용되거나 또는 전극구조물에 적용된다. 선호적으로는, 접촉필라멘트가 베이스 구조물에 먼저 적용된다.

필라멘트는 접촉나사이다. 왜냐하면 이들이 함께 용접된 표면사이에 잘 한정된 접촉을 제공하기 때문이다. 필라멘트란 용어는 본 발명에 따르면 0.05 내지 5㎜의 두께를 가질 수 있는 가는 나사 또는 와이어이다. 접촉 필라멘트의 두께는 0.1 내지 2㎜, 특히 0.1 내지 0.8㎜, 더더욱 0.3 내지 0.6㎜이다. 접촉필라멘트가 원형이 아닌 경우에 가장 넓은 필라멘트 부위의 두께는 전극에 평행하게 측정된다. 접촉 필라멘트는 연장부를 가질 수 있다.

접촉필라멘트의 기하학적 단면은 중요하지 않으며 원형, 정사각, 타원, 직사각 또는 삼각형일 수 있으며 경제적인 이유로 원형이 선호된다.

접촉 필라멘트가 좁고 가늘면 최적의 기계적 안정성이 달성되지만 접촉필라멘트간의 거리는 충분한 안정성이 획득되는 한 중요하지 않다. 그러나 적용되는 접촉필라멘트의 개수는 전류밀도에 관계된다. 전류밀도가 높다면 접촉필라멘트의 개수는 증가될 수 있다. 전류밀도가 낮다면 접촉필라멘트의 개수는 감소될 수 있다.

만약 전극이 쉽게 손상될 수 있는 막과 함께 사용된다면 전극의 표면은 매끈해야 하며 용접 스파크에 의해 야기될 수 있는 예리한 부위가 없어야 한다.

본 발명에 따른 방법은 부동태화된 전극의 복원에 사용될 수 있어서 새로운 전극 구조물이 오래되고 부동태화된 전극상에 용접될 수 있게 하며 새로운 전극을 제조할 수 있다. 본 발명의 방법에 의해 새로운 전극을 제조하는 경우에 접촉필라멘트의 단면적은 전극구조물의 두께보다 훨씬 클 수 있으며 오래된 전극을 새로운 전극구조물로 복원시키는 경우에 단면적은 전극구조물의 두께보다 작거나 동일하다.

본 발명에 따른 방법은 전기화학 공정의 전극에 적당하며 특히 오래되고 부동태화되며 낡은 전극의 복원에 적당하다. 본 발명에 의해 새로운 활성 전극 표면이 전기화학 공장에서 용접될 수 있다. 이것은 공장이 전극제조 공장으로 부터 원거리에 위치될 때 특히 이득이 된다.

전기용접이란 용접전극과 용접될 작업편간의 전기적 접촉이 일어나는 용접공정이다. 레이저 용접 및 전자비임 용접과 같은 무접촉 용접은 배제된다. 특히 저항용접이 사용된다.

접촉필라멘트를 사용함으로써 작고 예리한 전달면적으로 인해 잘 한정되고 신뢰할만한 접촉표면이 확립된다. 매끈한 용접조인트를 얻기 위해서 접촉표면은 평평하며 예리해야 한다. 이러한 조건은 용접공정시 탁월한 접촉을 제공한다. 만약 접촉이 빈약하거나 표면이 잘 한정되지 않고 거칠다면 영역주위의 또다른 방향으로 전류는 흐른다.

전극구조물은 세로 또는 가로 나사로 제조될 수 있으며 그물, 와이어-가제, 그리드 또는 메쉬 형태를 가진다. 전극 구조물은 천공된 플레이트나 발포된 금속판(메쉬를 형성하는)일 수도 있다.

베이스 구조물은 전해질의 순환을 촉진하는 구멍을 포함한다.

전극 구조물은 접촉필라멘트상에 직접 적용되는 나사모양을 가질 수 있으며 나사는 지지나사에 연결되어 접촉필라멘트에 용접되는 그물, 와이어-가제, 그리드 또는 메쉬형 전극구조물을 가져온다. 나사는 접촉 필라멘트 연장과 가로 또는 병렬일 수 있다. 아래에 놓인 구조물과 접촉 필라멘트와 전기적 접촉하게 부착되는 전기전도성 재료로된 평행 나사가 전극에 제공된다. 선호되는 구체예에서, US-A-5,290,410 및 US-A-5,373,134 에 기술된 대로 이들 전극나사는 채널을 형성한다. 따라서 나사는 채널형성 나사가 되어서 전해질순환과 형성된 가스의 효율적인 제거를 위한 많은 수의 연속채널을 가져온다.

전극구조물과 접촉 필라멘트가 용접되는 베이스 구조물은 임의의 모양과 구조를 가질 수 있다. 아래에 놓인 베이스 구조물은 전극표면 형성부이다. 금속판, 천공된 플레이트 전극, 팽창된 금속전극, 세로 또는 가로 로드, 나사 또는 와이어를 가지는 전극, 금속판을 천공하고 수직 또는 수평으로 연장될 수 있는 구부러진 또는 직선형 라멜라를 포함하는 루버(louver)형 전극이 사용될 수 있다. 이러한 형태의 전극은 EP 415,896 및 GB 1,324,427 에 발표된다. 본 발명에서 선호되는 전극은 루버형 전극이다. 아래에 놓인 베이스 구조물은 관통구멍을 가진다.

전체 전극, 즉 전극구조물, 접촉필라멘트 및 베이스 구조물은 Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Nb, Ag, Pt, Ta, Pb, Al 또는 이의 합금과 같은 재료로 제조된다. 만약 전극이 양극으로서 기능을 하면 Ti 또는 Ti 합금이 선호되며 전극이 음극으로서 기능을 하면 Fe, Ni 또는 이의 합금이 선호된다. 전극 구조물, 접촉필라멘트 및 베이스 구조물은 음극 또는 양극으로서의 사용 용도에 따라 적당한 촉매활성물질에 의해 활성화된다. 단지 전극구조물만이 활성화된 전극도 사용될 수 있다. 유용한 촉매물질은 8B족 금속, 즉 Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir 또는 Pt, 또는 금속산화물 또는 이의 혼합물이며 Ir과 Ru가 특히 선호된다.

본 발명은 접촉필라멘트가 각 필라멘트를 따라 용접된 복수의 고정점에 의해 전극구조물과 베이스 구조물에 부착된 전극 제조방법에 관계한다. 용접조건은 당해 분야의 숙련자에게 공지된 바와 같이 변화될 수 있다.

전기 용접 방법의 실시로 접촉점에서 작고 잘 한정된 조인트가 형성되고 나머지 필라멘트는 영향을 받지 않으며 0.1 내지 2㎜, 특히 0.1 내지 0.8㎜ 두께의 매우 가는 접촉필라멘트에 특히 적합하다. 전기 접촉이 양호하며 동시에 베이스구조물에 손상을 주지 않으면서 접촉필라멘트를 기계적으로 당길 수 있다. 추가 가공 없이도 부동태화된 전극의 재생을 촉진하는 접촉필라멘트가 전극에 제공될 수 있다. 이러한 용접방법은 전극제조에 사용되는 모든 금속의 용접에 사용될 수 있으며 접촉필라멘트나 베이스 구조물이 티타늄 또는 티타늄 합금으로 제조된다면 특히 이득이 된다. 저항용접에서 높은 용량(capacity)으로 인해 제조시간이 단축될 수 있다.

본 방법은 새로운 전극 제조 및 기존의 전극개질에 사용될 수 있다. 전극 제조시, 전극 구조물 적용전에 촉매코팅을 사용하여 활성화가 수행된다. 그러나 용접동안 촉매코팅이 손상됨이 없이 기존의 활성화된 전극이 전극구조물에 제공될 수 있다. 또한, 오랜 사용으로 활성이 떨어진 전극이나 비활성화된 전극에 활성화된 전극구조물을 제공할 수 있다.

접촉필라멘트는 탄성이며 플라스틱 필름상에 감겨진다. 접촉필라멘트는 릴로서 쉽게 전달된다. 플라스틱 필름의 한면에 아교나 풀이 제공될 수 있다. 플라스틱 필름은 접착 테이프 형태일 수도 있다. 그러므로 접촉 필라멘트가 각 필라멘트간의 예정된 거리로 플라스틱 필름상에 감기며 테이프나 아교에 부착된다. 접촉 필라멘트를 표면에 용접할 때 접촉필라멘트가 표면에 용접됨과 동시에 릴이 풀릴 수 있다.

본 발명은 본 발명에 따른 방법으로 획득가능한 전극구조물과 베이스구조물을 포함하는 전극을 포함하는데, 접촉필라멘트가 전기용접에 의해 조인트에서 상기 전극구조물과 상기 베이스구조물 사이에 부착됨을 특징으로 한다. 이러한 전극은 막전지에서 염소산염, 염소 또는 알카리의 전기분해 제조에 특히 이로우며 묽은 용액에서 가스나 금속의 전기화학적 회수에 매우 유용하다.

게다가, 본 발명은 본 발명에 따라 접촉필라멘트가 제공된 적어도 하나의 전극을 포함하는 전기분해 전지에도 관계한다. 특히, 전지는 본 발명에 따른 전극구조물을 사용하기 위해서 양극과 음극사이에 이온-선택성 막이 배열된다. 게다가, 전지는 당해분야에 공지된 기술을 사용하여 설계될 수 있다.

마지막으로, 본 발명은 적어도 하나의 전극은 본 발명에 따라 접촉필라멘트가 부착된 전극임을 특징으로 하는 전기분해방법에도 관계한다. 이 방법은 재료 및 코팅에 영향을 거의 주지 않아서 매끈하고 평평한 표면이 막을 향하게 하므로 알카리금속 염화물 용액(예컨대, 염소 및 알카리 제조용 나트륨 또는 칼륨 염화물 용액)의 전기분해와 같은 막전지에서의 전기 분해에 특히 적합하다.

도 1 에서, 접촉필라멘트(2)가 베이스구조물(1)에 부착될 수 있다. 또한 상이한 종류의 전극구조물이 도시된다. 전극구조물은 메쉬(3a), 그리드(3b)(또는 채널형성 나사) 또는 천공된 금속판(3c)(예, 루버형 전극) 모양을 가질 수 있다. 접촉필라멘트는 상이한 기하학적 단면을 가진다. 즉, 정사각형(2a), 원형(2b), 삼각형(2c) 또는 직사각형(2d), 단면을 가질 수 있다.

도 2A 는 판의 표면상에 개방된 중공구조를 형성하는 천공된 플랩(4)을 갖는 금속판(1)을 보여준다. 플랩(4)의 상부 가장자리상에 접촉필라멘트(2)가 용접된다. 전극구조물(3)은 접촉필라멘트(2)상에 용접된다. 도 2B 는 소위 루버형 전극을 형성하는 금속판 천공으로 형성된 플랩(5)을 보여준다. 접촉필라멘트(2)는 플랩(5)상에 용접되며 전극구조물(3)은 접촉필라멘트(2)상에 부착된다. 도 2c 에서 접촉필라멘트(2)는 플랩(5)의 상부를 따라 구조물에 있는 구멍과 평행하게 배열된다. 전극 구조물(3)은 루버형 구조물에서 리세스를 따른다는 점에서 파동형 모양을 가진다. 도 2D 에서 접촉필라멘트가 구조물에 있는 솔릿에 대해 가로로 배열된다. 접촉필라멘트와 전극구조물 둘다가 파동형이다.

도 3 과 도 4 는 채널(16)을 형성하며 안정화 가로나사(13)에 부착된 복수의 평행한 나사(14)를 보여주며 안정화 나사(13)는 베이스 구조물(11)에 적용된 접촉필라멘트(12)에 적용되어 평행하게 연장된다. 도 4 에서 용접지점(15)의 위치가 표시된다.

도 5 내지 도 6 은 채널형성 나사(14)에 의해 한정된 채널(16)을 포함한 전극을 보여주는데, 용접된 접촉점을 경유해서 안정화 가로나사(13)에 부착된다. 도 5 에서 안정화 나사(13)는 접촉필라멘트(12)에 평행 연장함으로써 채널형성 나사(14)가 접촉필라멘트(12)에 의해 지지된다. 이러한 설계에 의해 전극의 전방면을 따라 연속채널(16)이 형성된다. 도 6 에서 안정화 나사(13)는 가로 접촉필라멘트(12)에 부착된다.

본 발명에 따라서 용접시 최적의 전기적 접촉이 확립되어 균질의 전류 분포 및 고품질의 조인트를 가져온다. 용접공정이 단순화되며 용이하게 자동화되며 낮은 전력투입을 필요로 한다.

본 발명에 따르면 용접시 다양한 전류 분배원이 선택될 수 있으며 용접시간도 단축될 수 있다.

Claims (15)

1. 아래에 놓인 베이스구조물(1;11)에 부착된 전극구조물(3;14)을 포함하는 전극 제조방법에 있어서,

   (a) 베이스 구조물(1;11)상에 전극구조물(3;14)을 적용하고 상기 베이스구조물과 상기 전극구조물 사이에 접촉필라멘트(2;12)를 적용하고;

   (b) 전기용접에 의해 조인트(15)에서 상기 베이스구조물, 전극구조물 및 접촉필라멘트를 연결하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 전극제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 접촉필라멘트가 0.1 내지 2㎜의 두께를 가짐을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서, 접촉필라멘트가 0.1 내지 0.8㎜의 두께를 가짐을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 베이스구조물(1;11)이 천공된 플레이트, 발포된 금속, 로드, 와이어 또는 금속판이 천공된 라멜라형 구조를 가짐을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 전극구조물이 발포된 금속(3a)으로 제조됨을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 전극구조물이 세로 또는 가로나사(3b;16)로 제조됨을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 접촉필라멘트가 원형 단면을 가짐을 특징으로 하는 방법.
8. 전극구조물(3;14)과 아래에 놓인 베이스 구조물(1;11)을 포함하는 전극에 있어서, 접촉필라멘트(2;12)가 상기 전극구조물과 상기 베이스구조물 사이에서 전기용접에 의해 조인트(15)에서 부착됨을 특징으로 하는 전극.
9. 제 8 항에 있어서, 접촉필라멘트가 0.1 내지 2㎜의 두께를 가짐을 특징으로 하는 전극.
10. 제 9 항에 있어서, 접촉필라멘트가 0.1 내지 0.8㎜의 두께를 가짐을 특징으로 하는 전극.
11. 청구항 8 내지 10항중 한 항에 따른 접촉필라멘트(2;12)를 가지는 전극을 적어도 하나 포함하는 전기분해 전지.
12. 제 11 항에 있어서, 음극과 양극사이에 배열된 이온선택성막, 음극 및 양극을 포함하는 전기분해 전지.
13. 청구항 8 항 내지 10항중 한 항에 따른 접촉 필라멘트(2;12)를 갖는 전극을 사용하여 전기분해하는 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 막전지가 사용됨을 특징으로 하는 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 알카리 금속 염화물 용액을 염소 및 알카리로 전기분해하고 양극이 청구항 8 항 내지 10항중 한 항에 따른 접촉필라멘트(2;12)를 갖는 전극임을 특징으로 하는 방법.