KR20020072831A

KR20020072831A - 전해조

Info

Publication number: KR20020072831A
Application number: KR1020010012825A
Authority: KR
Inventors: 김우섭
Original assignee: 주식회사 흥창
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2002-09-19
Also published as: JP2002275674A

Abstract

본 발명은 높은 에너지 이용 효율과 높은 수산 가스 발생 효율을 얻을 수 있는 전해조를 제공하는데 그 목적이 있으며, 본 발명에 따른 전해조는 개스킷, 전극, 개스킷 및 셀 프레임이 순차적으로 결합된 단위 세트를 수평으로 다수개 적층시키고 그 양단에 음극 및 양극 전극을 고정시켜 이루어진다. 각 단위 세트의 전극은 쌍극(bipolar) 전극으로서, 전극의 상부에는 가스 흐름용 구멍이, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있다. 각 단위 세트의 각 개스킷은 전극의 형상과 동일한 형상을 가지며 전극의 외곽부와 대응하는 부재로서, 상부 및 하부에서 내측으로 연장된 각 연장부에는 가스 흐름용 구멍과 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있으며, 각 연장부가 전극의 각 구멍 연변을 가압하게 된다.

Description

전해조{Electrolyser}

본 발명은 전해조에 관한 것으로서, 특히 소비 전력을 감소시키고 전기 분해 효율을 향상시킬 수 있는 전해조에 관한 것이다.

전기 분해 장치, 예를 들어 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 등의 전해질을 함유한 전해액을 전기 분해하여 수소 가스와 산소 가스(이하, "수산 가스"라 칭함)를 발생시키는 전기 분해 장치는 전해액의 전기 분해가 이루어지는 전해조를 구비하고있다. 어느 정도의 구조적인 차이는 있지만 현재 사용중인 일반적인 전해조의 기본적인 구성으로서는 한쪽 단에 양극이 연결된 전극판(제 1 전극판)이 위치하고, 그 반대 단에는 음극이 연결된 전극판(제 2 전극판)이 위치하는 구조이다. 제 1 및 제 2 전극판 사이에는 얇은 쌍극(bipolar) 전극판과 프레임이 교대로 고정, 설치된다. 이러한 구조를 갖는 전해조는 적은 공간 내에 많은 전극을 설치할 수 있어 대량의 가스를 발생시킬 수도 있으며, 또한 극간 전압이 낮아 단위 가스량을 발생시키는데 소모되는 전력이 비교적 작다.

그러나, 이러한 구조의 전해조에서는 쌍극 전극판간의 기밀 유지가 쉽지 않아 전해조의 사용 압력을 높이는데 한계가 있다. 한편, 쌍극 전극판의 상부 및 하부에는 발생된 수산 가스를 통과시키기 위한 가스 배출 구멍 및 전해액 공급용 구멍이 각각 형성되어 있다. 전기 분해시, 각 전극판에 전류가 인가되면 각 구멍(가공 부분으로서, 모서리 부분)을 통하여 전류가 누설(leakage)되어 전기 분해 효율을 저하시킴과 동시에 에너지 낭비라는 문제점을 발생시킨다.

또한, 전기 분해가 이루어지는 전해조 내에서 전극의 상부 일부가 전해액 수면 위로 노출되며, 생성된 수산 가스가 노출된 전극 표면에 분극작용(polarizing action)을 일으켜 전해조 내부에서 내폭이 일어날 수 있는 결함도 갖고 있다. 이러한 현상은 발생된 수산 가스가 전해액의 일부를 전해조 밖으로 밀어내기 때문에 발생한다. 이 밖에, 전해조 내의 전극은 항상 전해액과 접촉하는 상태를 유지해야 하나, 전극이 전해액 수면 위로 노출되는 경우 전기 분해가 일어나는 전극의 유효 면적을 감소시키며, 결과적으로 전극의 단위 면적당 전류 밀도를 상승시켜 전극의 수명을 단축시키는 원인이 된다.

일반적인 필터 프레스형 전해조의 전류 효율은 80 내지 90%, 전압 효율은 58 내지 78%이며, 1,000리터의 수산 가스를 발생시키는데 소비되는 전력은 4.5 내지 5.0kWhr로서, 비효율적인 에너지 소비 구조를 갖고 있다.

일본 공개특허공보 평6-128780호, 한국특허공보 제 1994-6440호에 상술한 구조의 필터 프레스형 전해조가 개시되어 있다. 상기 전해조들은 양극의 중심극봉 주위에 다수의 원통형 전극통이 배열되어 있고, 전해조 외곽에는 음극의 원통형 전극통이 둘러싸여 있는 구조를 갖는다. 원통형 전극 상부 및 하부에는 가스 및 전해액 유동을 위한 구멍이 형성되어 있다. 이러한 구조를 갖는 전해조의 내부에서 전기 분해가 진행되면 원통형 전극의 상하 절단면 및 원형 구멍에 전류가 집중적으로 흘러 전극 표면상에서의 전류 분포가 불균일하게 되며, 따라서 전기 분해 효율이 낮아지는 결과를 초래한다. 또한 전기 분해 과정에서 상부의 전극 표면이 발생된 수산 가스에 노출되어 안정성에도 적지 않은 문제점을 갖게 된다.

또다른 형태의 필터 프레스형 전해조의 구성이 국내 실용신안공보 제 1996-37441호, 제 1992-18137호 및 제 2000-61953호에 개시되어 있으며, 이들 공보에 개시된 전해조들은 판형의 전극판을 사용한 구조로 되어 있다. 그러나 이러한 전해조에서는, 전해액 유동 구멍과 전극판 가공면이 전해액에 노출되어 있고, 또한 전극의 일부가 발생된 수산 가스에 노출되는 문제점을 가지고 있다. 각 전극판에 형성된 전해액 유동 구멍을 통한 통전을 방지하기 위하여 전극판들을 교대로 90°위상차를 두어 전해액 유동 구멍을 형성한 구조도 있으나, 전극판 표면에 전체적으로균일하게 전류를 분포시키는 데에는 한계가 있다.

최근 들어, 무공해 에너지원인 수산 가스의 산업적 활용도가 증가되고 있음에도 불구하고 상술한 바와 같이 종래의 수산 가스 발생용 전해조는 단위 체적의 수산 가스 생산에 많은 전력이 소모되고, 내폭 및 누수 등의 안정성에 문제가 수반되며, 또한 내열성 및 내구성이 확보되지 못함에 따라 산업용으로 사용하기에 실용적이지 못한 실정이다.

따라서 본 발명은 상술한 바와 같은 일반적인 수산 가스 발생용 전해조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 높은 에너지 효율과 높은 수산 가스 발생 효율을 이룰 수 있는 전해조를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 전해조는 개스킷, 전극, 개스킷 및 셀 프레임이 순차적으로 결합된 단위 세트를 다수개 적층시키고 그 양단에 음극 및 양극 전극을 고정시켜 이루어진다. 각 단위 세트의 전극은 쌍극(bipolar) 전극으로서, 전극의 상부에는 가스 흐름용 구멍이, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있으며, 각 단위 세트의 각 개스킷은 전극의 형상과 동일한 형상을 가지며 전극의 외곽부와 대응하는 부재로서, 상부 및 하부에서 내측으로 연장된 연장부에는 가스 흐름용 구멍과 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있다. 각 개스킷의 상부 및 하부 연장부는 전극의 상부 및 하부 구멍 연변부를 각각 가압한다.

각 단위 세트의 셀 프레임은 전극보다 규격이 크며, 상부 및 하부에는 중심부를 향하여 연장부가 구성되되, 각 연장부 중앙부에는 가스 흐름용 구멍과 전해액흐름용 구멍이 각각 형성되어 있어 전극 및 각 개스킷의 가스 흐름용 구멍과 전해액 흐름용 구멍과 각각 대응하게 된다.

각 셀 프레임의 전면 및 후면 외곽부에는 외곽부를 따라 일정 높이의 철부가 형성되어 전방 및 후방에 위치한 개스킷의 후면 및 전면에 압착 접촉되어 개스킷의 기능을 향상시킬 수 있으며, 또한, 각 셀 프레임 본체 전, 후면의 가스 흐름용 구멍 및 전해액 흐름용 구멍의 연변에 철부가 각각 형성되어 있어 전방 및 후방에 위치한 개스킷의 각 구멍 연변에 압착 접촉된다.

이와 함께, 각 셀 프레임은 그 전면(前面)에 외곽부를 따라 일정 폭 및 높이의 제 1 철부(凸部)가 형성되고, 그 후면에는 전면의 제 1 철부와 동일한 폭 및 깊이의 제 1 요부가 형성되며, 전면의 가스 흐름용 구멍 및 전해액 흐름용 구멍의 각 연변에는 일정한 높이의 원통부가 각각 형성되고, 후면의 각 구멍 각 연변에는 일정한 깊이의 제 2 요부가 각각 형성되되, 전면의 원통부 양측 및 부재 중심을 향한 부분에는 일정한 폭의 절개부가 각각 형성되고, 각 연장부의 후면의 각 구멍 주변 요부의 양측 및 중심을 향한 부분에는 일정한 폭의 절개부가 각각 형성되어 2개의 셀 프레임 결합시 어느 한 셀 프레임 전면의 원통부의 절개부와 또다른 셀 프레임 후면의 연장부 표면에 형성된 절개부가 연통되어 전해조 내부 공간과 셀 프레임의 각 구멍을 연결하는 통로를 형성한다.

본 발명의 또다른 특징은 전해액 공급구에 펌프에서 가압된 전해액을 공급하여 전기 분해가 계속적으로 진행되는 전해조 내부에 전해액을 충만시키는 것을 특징으로 하는 전해조.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고하여 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전해조를 구성하는 부재들을 도시한 분리 사시도.

도 2는 도 1의 각 부재를 결합시켜 구성한 전해조를 도시한 정면도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 한 구성부재인 셀 프레임의 정면도 및 배면도.

도 4는 도 3a의 선 A-A를 따라 절취한 상태의 단면도.

도 5는 각 부재의 결합관계 및 가스 통로를 도시하기 위한 전해조의 상세 단면도.

도 6은 도 5의 "B"부의 상세도.

도 1은 본 발명에 따른 필터 프레스형 전해조를 구성하는 부재들을 도시한 분리 사시도, 도 2는 도 1의 각 부재를 고정 수단을 이용하여 일체화시켜 구성한 전해조의 정면도로서, 본 발명에 따른 전해조(100)를 구성하는 부재들은 다음과 같으며, 전극, 개스킷 및 셀 프레임의 구조를 어느 하나 만을 예를 들어 설명한다.

양극 및 음극 전극(101 및 102)

전해조(100)의 양 측단에 위치하는 양극 전극(101)과 음극 전극(102)은 그 외측 표면에 전원 연결용 볼트(101a, 102a)가 각각 고정되어 있으며, 한 전극(102)의 외측 표면에는 전해액 공급구 연결 니플(102b)이, 또다른 전극(101)의 외측 표면에는 가스 배출구 연결 니플(101b)이 각각 고정되어 있다. 양극 및 음극 전극 (101 및 102)은 4개의 스테이 볼트(본 도면에서는 2개를 사용하였지만, 물론 그 개수는 한정되지 않는다)에 의하여 일체화된다.

전극(20)

양극 전극(101)과 음극 전극(102)의 사이에는 다수의 원판형 전극(20; 쌍극 (bipolar) 전극)들이 위치한다. 각 전극(20)의 상부에는 수산 가스 흐름용 구멍 (21)이, 하부에는 전해액 흐름용 구멍(22)이 각각 형성되어 있다.

양극 전극(101)과 음극 전극(102)에 전압을 인가하면, 각 전극(101, 102)에인접한 전극(20)의 대응 표면에는 반대 극의 전하가 대전되며, 그 반대 표면에는 동일한 극의 전하가 대전된다. 또한, 전하가 대전된 전극(20)에 인접한 또다른 전극(20) 대응 표면에는 마주보는 전극 표면에 대전된 전하와 반대 극성의 전하가 대전되며, 이러한 대전 현상은 도전성의 전해액이 전류를 전극에 전달함으로서 이루어진다. 전극 표면에서의 이러한 전하 대전 현상은 모든 전극(20)에서 발생되며, 따라서 마주보는 전극(20)의 표면에 서로 다른 극성의 전하가 대전됨으로서 그 사이에 위치하는 전해액에 대한 전기 분해가 이루어진다.

셀 프레임(10; cell frame)

양극 전극(101)과 전극(20) 사이, 전극(20)과 전극(20) 사이 및 전극(20)과 음극 전극(102) 사이에 링 (ring)형의 셀 프레임(10)이 각각 위치한다. 각 셀 프레임(10)의 직경은 전극(20)의 직경보다 약간 크게 이루어지며, 상부 및 하부에는 각 전극의 상부 및 하부에 형성된 구멍과 각각 대응하는 수산 가스 흐름용 구멍 및 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있다. 각 셀 프레임(10)의 구성에 대해서는 도 3 및 도 4와 관련하여 추후 설명한다.

개스킷(30; gasket)

각 부재, 즉 양극 전극(101), 셀 프레임(10), 전극(20) 및 음극 전극(102) 사이에는 밀봉용 개스킷(30)이 각각 위치한다. 개스킷(30)은 링(ring)형으로서, 그 직경은 전극(20)의 직경과 동일하다. 개스킷(30)의 상부 및 하부에도 전극(20) 및셀 프레임(10)의 상부 및 하부에 형성된 구멍과 대응하는 수산 가스 흐름용 구멍과 전해액 흐름용 구멍(31, 32)이 각각 형성되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각 개스킷(30)에 형성된 구멍들(31, 32)은 본체에서 내측으로 원형으로 연장된 연장부 (30A, 30B) 중앙부에 각각 형성되어 있다. 따라서, 전극(20) 양면에 개스킷(30)을 각각 밀착시킬 때, 양 부재(20 및 30)의 각 구멍(21 및 31, 22 및 32)이 서로 연통된 상태에서 개스킷(30)의 각 연장부(30A, 30B)는 전극(20)의 구멍(21, 22) 주변 표면에 기밀 상태로 밀착된다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 한 구성부재인 셀 프레임의 정면도 및 배면도, 도 4는 도 3a의 선 A-A를 따라 절취한 상태의 단면도로서, 상술한 셀 프레임(10)의 구성을 보다 상세히 설명한다. 링 형태의 셀 프레임(10) 상부 및 하부에는 중심을 향하여 연장된 연장부(10E-1, 10E-2)가 각각 구성되어 있으며, 각 연장부(10E-1, 10E-2) 중앙에 상술한 수산 가스 흐름용 구멍(HA) 및 전해액 흐름용 구멍(HB)이 각각 형성되어 있다.

셀 프레임(10) 전면(前面)부 외곽부에는 외곽부를 따라 일정 폭 및 높이의 제 1 철부(11A; 凸部)가 형성되어 있으며, 그 내측에는 미세한 높이의 제 2 철부(12A)가 형성되어 있다. 또한, 수산 가스 흐름용 구멍(HA) 및 전해액 흐름용 구멍(HA)의 연변(즉, 각 연장부(10E-1, 10E-2) 표면)에도 일정한 높이 및 폭을 갖는 제 3 철부(13A-1 및 13A-2)가 각각 형성되어 있다. 이 제 3 철부는 중앙부가 빈 원통부(13A-1 및 13A-2)를 구성하며, 이 원통부의 외경은 개스킷(30) 및 전극(20)에 형성된 구멍(31, 21 및 32, 22)의 직경과 동일하다. 연장부(10E-1, 10E-2)의 중앙부에도 미세한 높이의 제 4 철부(14A-1, 14A-2)가 형성되어 있다. 한편, 수산 가스 흐름용 구멍(HA) 연변에 형성된 제 3 철부(13A-1; 원통부)의 상부 및 전해액 흐름용 구멍(HB) 연변에 형성된 제 3 철부(13A-2)의 하부에는 양측을 수평으로 절개한 절개부(A11 및 A13)를 각각 구성하여 본체면과 구멍(HA 및 HB)을 연통시키며, 수산 가스 흐름용 구멍(HA) 연변에 형성된 제 3 철부(13A-1)의 하부 및 전해액 흐름용 구멍(HB) 연변에 형성된 제 3 철부(13A-2)의 상부에는 중심부를 향하여 절개한 절개부(A12 및 A14)를 각각 구성하여 본체면과 구멍(HA 및 HB)을 연통시킨다.

셀 프레임(10) 후면(後面)부 외곽부에는 전 부재에 걸쳐 일정 폭 및 깊이의 제 1 요부(11B; 凹部)가 형성되어 있으며, 그 내측에는 미세한 높이의 제 2 철부(12B)가 형성되어 있다. 또한, 수산 가스 흐름용 구멍(HA) 및 전해액 흐름용 구멍(HB)의 연변에도 일정 깊이 및 폭을 갖는 제 2 요부(13B-1, 13B-2)가 각각 형성되어 있으며, 각 연장부(10E-1, 10E-2)의 중앙부에는 미세한 높이의 제 4 철부 (14B-1, 14B-2)가 형성되어 있다. 한편, 각 연장부(10E-1, 10E-2)상에 셀 프레임 본체 내부 원주에서 연장되는 부분을 절개한 절개부(B11, B13)를 구성하여 본체면과 구멍(HA, HB)과 각각 연통시키며, 각 연장부(10E-1, 10E-2) 내측부에는 반경 방향으로 절개부(B12, B14)를 구성하여 본체면과 구멍(HA, HB)을 연통시킨다.

이상과 같은 부재들을 조립하여 전해조를 구성하는 과정을 각 도면을 통하여 설명하며, 이하의 설명에서 편의상 각 부재의 상부에 구성된 수산 가스 흐름용 구멍을 "상부 구멍"으로, 하부에 구성된 전해액 흐름용 구멍을 "하부 구멍"으로 칭한다.

먼저, 개스킷(30), 전극(20), 개스킷(30) 및 셀 프레임(10)으로 하나의 단위 세트(예를 들어, 도 1에서 A 및 B)를 조립한다. 개스킷(30), 전극(20) 및 개스킷(30)을 상부 구멍(31, 21, 31) 및 하부 구멍(32, 22, 32)을 서로 대응시킨 상태에서 셀 프레임(10) 전면에 밀착시키면, 개스킷(30), 전극(20) 및 개스킷(30)의 상부 구멍(31, 21, 31) 및 하부 구멍(32, 22, 32)은 셀 프레임(10) 본체 상부 구멍(HA) 및 하부 구멍(HB) 연변에 각각 형성된 원통부(13A-1, 13A-2)에 끼워진다. 이때, 개스킷(30), 전극(20) 및 개스킷(30)의 외곽단은 셀 프레임(10) 전면 외곽부에 형성된 제 1 철부(11A) 내면에 밀착되며, 셀 프레임(10)의 제 2 철부(12A) 및 제 4 철부(14A-1, 14A-2)는 개스킷(30)의 연장부(30A, 30B) 후면과 각각 접촉하게 된다. 또한, 전극(20) 전, 후면에 위치한 개스킷(30)들의 연장부들(30A, 30B)은 전, 후방에서 전극(20)의 상부 구멍(21) 및 하부 구멍(22) 연변에 밀착된다.

이와 같이 개스킷(30), 전극(20), 개스킷(30) 및 셀 프레임(10)으로 이루어진 단위 세트(A)를 다수개 수평 적층 상태로 조립한 후, 각 단위 세트를 서로 결합한다. 편의상 2개의 단위 세트(A 및 B)를 이용하여 단위 세트의 결합을 설명한다. 또한 편의상 2개의 단위 세트 중에서 전방(도 6 기준)의 단위 세트를 제 1 단위 세트(A)로, 후방의 단위 세트를 제 2 단위 세트(B)로 칭한다.

제 1 및 제 2 단위 세트(A 및 B)를 각 부재의 상부 구멍 및 하부 구멍을 기준으로 결합시키면, 제 2 단위 세트(B)의 셀 프레임(10) 전면에 형성된 제 1 철부 (11A)는 제 1 단위 세트(A)의 셀 프레임(10) 후면에 형성된 제 1 요부(11B) 내에 끼워진다. 또한, 제 2 단위 세트(B)의 셀 프레임(10) 전면의 각 구멍(HA, HB) 연변에 형성된 원통부(13A-1, 13A-2)는 제 1 단위 세트(A)의 셀 프레임(10) 후면의 각 구멍 연변에 형성된 제 2 요부(13B-1, 13B-2) 내에 각각 수용된다. 한편, 제 1 단위 세트(A)의 셀 프레임(10)의 후면에 형성된 제 2 철부(12B)및 제 4 철부(14B-1, 14B-2)는 제 2 단위 세트(B)의 전방 가스켓(30) 표면을 가압하게 된다.

이때, 제 2 단위 세트(B)의 셀 프레임(10) 전면의 각 구멍(HA, HB) 연변의 원통부(13A-1, 13B-2)에 형성된 절개부(A11, A12 및 A13, A14)는 제 1 단위 세트 (B)의 셀 프레임(10) 연장부(10E-1, 10E-2) 후면에 형성된 각 절개부(B11, B12 및 B13, B14)와 각각 대응하여 개방된 통로를 형성한다. 따라서 제 1 단위 세트(A)의 셀 프레임(10) 후면과 제 2 단위 세트(B)의 셀 프레임(10) 전면이 형성하는 공간(이 공간에 제 2 단위 세트(B)의 셀 프레임(10)에 결합된 개스킷(30), 전극(20) 및 개스킷 (30)이 위치함)은 각 단위 세트(A, B)의 셀 프레임(10)에 구성된 각 구멍(HA, HB), 즉 가스켓(30), 전극(20)의 각 구멍(31, 32 및 21, 22)과 연통된다.

따라서, 외부에서 공급된 전해액은 적층된 각 부재의 하부 구멍을 통과하는 과정에서 겹쳐진 셀 프레임(10) 중에서 후방 셀 프레임(10)의 하부 연장부(10E-2)에 형성된 하부 구멍(HB), 후방 셀 프레임(10)의 하부 원통부(13A-2)에 형성된 개구(A13 및 A14) 및 전방 셀 프레임(10)의 하부 연장부(10E-2) 표면에 형성된 절개부(B13 및 B14)가 형성하는 통로를 통하여 전해조 내부 공간, 즉 다수의 개스킷(30), 전극(20) 및 셀 프레임(10)들이 형성하는 공간 내로 유입된다. 이와 마찬가지로, 전기 분해에 의하여 전해조(100) 내부 공간에서 발생된 수산 가스(전해액이 함유된 상태임)는 겹쳐진 셀 프레임(10) 중에서 전방 셀 프레임(10)의 상부연장부(10E-1) 표면에 형성된 절개부(B11 및 B12)와 후방 셀 프레임(10) 연변의 원통부(13A-1)에 형성된 개구(A11 및 A12)가 형성하는 통로를 통하여 전방 셀 프레임(10)의 상부 구멍(HA) 내로 유입되며, 이후 각 부재의 상부 구멍을 통과한 후 외부의 수집 탱크로 배출된다.

이상과 같은 형태로 설정된 수의 단위 세트들을 결합하고, 결합체 양단에 음극 전극(101)과 양극 전극(102)을 결합시킨 후 음극 전극(101)과 양극 전극(102)을 스테이 볼트(103)로 결합함으로서 도 2에 도시된 바와 같이 완전한 전해조(100)가 조립된다. 즉, 다수의 단위 세트들의 양단에 양극 전극(101) 및 음극 전극(102)을 위치시키고 다수의 스테이 볼트(103)를 양 전극판의 볼트 구멍을 관통시킨다. 노출된 스테이 볼트(103) 양단에 접시 스프링(104)을 끼우고 너트(105)를 체결함으로서 각 단위 세트들은 체결되며, 이때 각 부재들은 일정한 압력으로 가압된다. 여기서, 음극 및 양극 전극(101, 102)의 볼트 구멍에는 절연재(예를 들어, 플라스틱) 재질의 부시(106)가 끼워지며, 따라서 전류의 누설이 방지된다. 이와 같이 구성된 전해조 일단의 상부 및 또다른 일단의 하부에 연결 니플을 각각 설치하여 가스 배출구 및 전해액 공급구를 설치한다.

이러한 전해액 유입 및 수산 가스 배출 과정은 전해조를 구성하는 모든 단위 유니트 및 인접 유니트 사이에서 진행되며, 각 단위 유니트의 전극과 인접 유니트 전극 사이의 공간에서 전해액에 대한 전기 분해가 이루어진다.

본 발명에서 사용된 셀 프레임(10)과 개스킷(30)에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

셀 프레임(10)은 높은 전기적 절연성, 내열성 및 알칼리 전해액에 대한 내 화학성을 가지는 것이 바람직하다. 또한 셀 프레임(10)은 양단에서 압축력이 가해지므로 높은 기계적 강도를 유지해야한다. 셀 프레임의 재료로서는 유리강화섬유 플라스틱이 적당하며, 그 예로서 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리프로필렌 등이 있다. 이들 재료는 내화학성과 내열성이 모두 우수하며, 기계적 강도도 뛰어나 전해조를 90℃ 온도에서 연속 사용할 수 있다.

개스킷(30)은 셀 프레임(10)의 조건에 더하여 탄성을 가져야한다. 개스킷 (30)으로 적당한 재료로는 에틸렌-프로필렌 공중합체(EPDM) 및 폴리테트라 플루오로에틸렌(테프론)등을 사용할 수 있고, 0.3 내지 0.5mm의 두께가 바람직하다.

이상과 같이 이루어진 본 발명에 따른 전해조의 구성적, 기능적 특징들을 도 5 및 도 6을 통하여 설명하면 다음과 같다. 도 5는 각 부재의 결합 관계 및 가스와 전해액의 이동로를 도시하기 위한 전해조의 상세 단면도, 도 6은 도 5의 "B"부의 상세도이다.

1. 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 단위 세트를 구성하는 전방 개스킷(30)의 전면과 후방 개스킷(30)의 후면에는 결합된 셀 프레임(10) 전면에 형성된 제 2 철부(12A)와 전방에 위치한 다른 단위 세트의 셀 프레임(10) 후면에 형성된 제 2 철부(12B)가 가압된 상태로서 개스킷(30)의 기밀 기능을 효율적으로 증가시켜 전해액 및 수산 가스의 외부 유출이 이루어지지 않는다.

2. 하나의 전극(20) 양면에는 동일한 규격의 링형 개스킷(30)이 각각 밀착되어 있고, 특히 전극(20)의 상부 구멍(21) 및 하부 구멍(22) 연변에는 각 개스킷(30)의 연장부(30A, 30B) 표면이 압착되어 있으므로 전극(20) 표면에 대전된 전하가 전극의 가공면 및 각 구멍(21, 22)의 가공면으로 집중되는 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 전극(20)의 전면(全面)에 걸쳐 전류 밀도를 균일하게 유지시켜 전류 효율을 증가시킬 수 있다.

3. 상술한 바와 같이, 전기 분해가 진행됨에 따라서 발생된 수산 가스는 전해실 내부의 압력을 증가시키며, 이에 따라 전해액 수면 위에 위치한 각 전극(20)의 상부는 수산 가스에 노출되어 내폭을 초래하게 된다. 따라서 본 발명에서는 이를 방지하기 위하여 전해조(100) 일단에 구성된 전해액 공급구(102b)에 펌프(도시되지 않음)에서 가압된 전해액이 공급되도록 구성하였다. 펌프에 의하여 전해조 내부로 공급된 전해액은 발생된 수산가스와 함께 가스 배출구를 통하여 강제 배출된다. 배출된 수산 가스와 전해액은 외부의 기액 분리기(도시되지 않음)에서 분리되며, 수산가스와 분리된 전해액은 펌프에 의하여 전해조 내부로 다시 공급된다. 이와 같이 펌프를 이용하여 전해액을 공급함으로서 전기 분해가 계속적으로 진행되더라도 전해조 내부는 항상 전해액이 충만된 상태를 유지할 수 있다.

표 1과 같은 규격으로 구성된 본 발명에 따른 전해조를 이용하여 여러 차례에 걸쳐 시험(전기 분해)한 결과(성능)를 표 2에 나타내었다.

	셀 프레임 (10)	전 극 (20)	개스킷 (30)	전 해 질
규 격	직경 : 270mm두께 : 5.5mm수량 : 120개	직경 : 250mm두께 : 0.5mm수량 : 119개	직경 : 255mm두께 : 0.4mm	15중량%의수산화나트룸
재 질	폴리페닐렌설파이드	니켈도금 연강	테프론	15중량%의수산화나트룸

항 목	최고사용압력	최고사용온도	소비전력	전류효율
실험결과	10Kg/cm²	90℃	3 내지 3.5kW	99.5%

* 소비전력은 수산가스 1000ℓ를 발생시키는데 소비된 전력임.

이상과 같은 본 발명은 각 단위 유니트를 구성하는 전방 개스킷 및 후방 개스킷의 표면에 셀 프레임 표면에 형성된 철부가 가압, 접촉함으로서 개스킷의 기밀 기능을 효율적으로 증가시켜 전해액 및 수산 가스의 유출을 방지할 수 있다. 또한, 전극의 가스 배출용 구멍과 전해액 공급용 구멍 연변에는 개스킷의 연장부 표면이 압착되어 있어 전극 표면에 대전된 전하가 전극의 가공면 및 각 구멍의 가공면으로 집중되는 현상이 방지되어 전극 전면에 걸쳐 전 밀도를 균일하게 유지할 수 있다.

이와 함께, 펌프를 통하여 전해액을 전해조 내부로 강제 공급함으로서 전해조 내의 전해액 수위를 항상 일정하게 공급할 수 있어 전해조 내에서의 내폭을 방지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims

내부에 공급된 전해액에 대한 전기 분해를 진행하여 가스를 발생시키는 전해조에 있어서,

개스킷, 전극, 개스킷 및 셀 프레임이 순차적으로 결합된 단위 세트를 다수개 적층시키고 그 양단에 음극 및 양극 전극을 고정시켜 이루어지되,

각 단위 세트의 전극은 쌍극(bipolar) 전극으로서, 전극의 상부에는 가스 흐름용 구멍이, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있으며,

각 단위 세트의 각 개스킷은 전극의 형상과 동일한 형상을 가지며 전극의 외곽부와 대응하는 부재로서, 상부 및 하부에는 내측을 향하여 연장된 연장부가 구성되어 있어 각 연장부가 그 사이에 위치한 전극의 각 구멍 주변 부위를 가압하며, 가스 흐름용 구멍과 전해액 흐름용 구멍이 상하 연장부에 각각 형성되어 있으며,

각 단위 세트의 셀 프레임은 전극보다 규격이 크며, 상부 및 하부에는 중심부를 향하여 연장부가 구성되되, 각 연장부 중앙부에는 가스 흐름용 구멍과 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있어 전극 및 각 개스킷의 가스 흐름용 구멍과 전해액 흐름용 구멍과 각각 대응하는 것을 특징으로 하는 전해조.
제 1 항에 있어서, 각 셀 프레임의 전면 및 후면 외곽부에는 외곽부를 따라 일정 높이의 철부가 형성되어 전방 및 후방에 위치한 개스킷의 후면 및 전면에 압착 접촉되는 것을 특징으로 하는 전해조.
제 1 항에 있어서, 각 셀 프레임 본체 전, 후면의 가스 흐름용 구멍 및 전해액 흐름용 구멍 주변에 철부가 각각 형성되어 있어 전방 및 후방에 위치한 개스킷의 각 구멍 연변에 압착 접촉되는 것을 특징으로 하는 전해조.
제 1 항에 있어서, 상기 각 셀 프레임에는 그 전면(前面)에 외곽부를 따라 일정 폭 및 높이의 제 1 철부(凸部)가 형성되고, 그 후면에는 전면의 제 1 철부와 동일한 폭 및 깊이의 제 1 요부(凹部)가 형성되며, 전면의 가스 흐름용 구멍 및 전해액 흐름용 구멍의 각 연변에는 일정한 높이의 원통부가 각각 형성되고, 후면의 각 구멍 각 연변에는 일정한 깊이의 제 2 요부가 각각 형성되되, 전면의 원통부 양측 및 부재 중심을 향한 부분에는 일정한 폭의 절개부가 각각 형성되고, 각 연장부의 후면의 각 구멍 주변 요부의 양측 및 중심을 향한 부분에는 일정한 폭의 절개부가 각각 형성되어 2개의 셀 프레임 결합시 어느 한 셀 프레임 전면의 원통부의 절개부와 또다른 셀 프레임 후면의 연장부 표면에 형성된 절개부가 연통되어 전해조 내부 공간과 셀 프레임의 각 구멍을 연결한는 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전해조.
제 1 항에 있어서, 상기 셀 프레임은 폴리술폰, 폴리이미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리프로필렌 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 개스킷은 에틸렌-프로필렌 공중합체(EPDM) 또는 폴리테트라 플루오로에틸렌(테프론)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전해조.
제 1 항에 있어서, 전해조 내에 펌프에서 가압된 전해액을 공급하여 전기 분해가 계속적으로 진행되는 전해조 내부에 전해액이 충만된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 전해조.