KR20020085446A - 전해조 - Google Patents

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KR20020085446A
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Abstract

본 발명은 높은 에너지 효율과 높은 수산 가스 발생 효율을 이룰 수 있으며, 산소 가스와 수소 가스를 분리하여 생산할 수 있는 전해조에 관한 것으로서, 개스킷, 전극, 개스킷, 격막 고정 링, 격막 및 셀 프레임이 순차적으로 결합된 단위 세트를 다수개 적층시키고 그 양단에 음극 및 양극 전극을 고정시켜 이루어진다. 본 발명을 구성하는 각 전극은 쌍극(bipolar) 전극으로서, 전극의 상부에는 제 1 및 제 2 가스 흐름용 구멍이, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있으며, 각 개스킷은 전극의 외곽부와 대응하는 링형의 부재로서, 상부에는 제 1 및 제 2 연장부가, 하부에는 제 3 연장부가 중심부를 향한 상태로 각각 구성되어 있어 각 연장부가 그 사이에 위치한 전극의 각 구멍 주변 부위를 가압하며, 제 1 및 제 2 가스 흐름용 구멍과 전해액 흐름용 구멍이 각 연장부에 형성되어 있다. 또한, 각 격막은 상부에 제 1 및 제 2 가스 흐름용 구멍이, 하부에 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있으며, 각 격막 고정 링은 각 개스킷과 동일한 형상을 가지며, 상부에는 가스 흐름용 구멍이 각각 형성된 제 1 및 제 2 연장부가, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 형성된 제 3 연장부가 중심부를 향하게 각각 구성되어 있어 각 연장부가 셀 프레임 사이에 위치한 격막의 각 구멍 주변 부위를 가압한다. 각 셀 프레임은 전극보다 규격이 크며, 상부에는 가스 흐름용 구멍이 각각 형성된 제 1 및 제 2 연장부가, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 형성된 제 3 연장부가 각각 구성되되, 각 구멍은 전극 및 각 개스킷에 형성된 가스 흐름용 구멍 및 전해액 흐름용 구멍과각각 대응되어, 각 전극의 제 1 표면에서 형성된 산소 가스는 제 1 가스 흐름용 구멍을 통하여, 각 전극의 제 2 표면에서 형성된 수소 가스는 제 2 가스 흐름용 구멍을 통하여 각각 외부로 배출되고, 외부에서 공급된 전해액은 전해액 흐름용 구멍을 통하여 내부로 유입된다.

Description

전해조{Electrolyser}
본 발명은 전해조에 관한 것으로서, 특히 소비 전력을 감소시키고 전기 분해 효율을 향상시킬 수 있으며, 발생된 수소 가스와 산소 가스를 분리된 상태로 배출시킬 수 있는 전해조에 관한 것이다.
전기 분해 장치, 예를 들어 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 등의 전해질을 함유한 전해액을 전기 분해하여 수소 가스와 산소 가스를 발생시키는 전기 분해 장치는 전해액의 전기 분해가 이루어지는 전해조를 구비하고 있다. 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) 전극판이 위치하게 되며, 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, 분리형 전해조에서는 쌍극 전극판의 상부에는 수소 가스와 산소 가스를 각각 통과시키기 위한 2개의 가스 배출 구멍이, 하부에는 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.
한편, 전기 분해가 이루어지는 전해조 내에서 전극은 항상 전해액과의 접촉 상태를 유지해야하나, 전극의 상부 일부가 전해액 수면 위로 노출되며, 이는 전기 분해가 일어나는 유효면적을 감소시키며, 결과적으로 전극의 단위 면적당 전류 밀도를 상승시켜 전극의 수명을 단축시키는 원인이 된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인이 출원한 2001년 특허출원 제 12825호는 전해조의 기밀성이 우수하고 전해액 및 가스의 유출이 없고 셀 프레임의 증감에 따라 가스 발생 용량을 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있으며, 적은 전력 에너지로 대량의 가스를 발생시킬 수 있어 전해조의 소형화가 가능한 구성을 갖고 있다.
그러나, 선행특허출원에서는 전극판과 양극, 음극과 전극판 사이에서 발생된 수산 가스는 수소 및 산소가 2:1 비율로 혼합된 상태로 생산되기 때문에 산업용으로의 활용도가 낮아지며, 특히 고순도 수소 가스를 필요로 하는 산업분야에 적용하기 위해서 수소 가스와 산소 가스를 분리하기 위한 별도의 시스템이 필요하다는 문제점이 발생한다.
최근 들어, 수소 가스는 브레이징, 용접, 귀금속 세공, 유리 가공, 반도체 제조 공정에서의 사용 등과 같은 공업적 이용은 물론, 수소 연료 전지 자동차 등의 차세대 무공해 에너지원으로서의 산업적 활용도가 증가되고 있다. 그러나, 현재 생산중인 수소 가스는 화석 연료로부터 생산되어 고압의 실린더에 압축 가스 형태로 사용되고 있어 운송 및 사용상의 안정성이 확보되지 못함에 따라 무공해 에너지원임에도 불구하고 산업용으로 실용적이지 못하다.
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 있으며, 산소 가스와 수소 가스를 분리하여 생산할 수 있는 전해조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 전해조는 개스킷, 전극, 개스킷, 격막 고정 링, 격막 및 셀프레임이 순차적으로 결합된 단위 세트를 다수개 적층시키고 그 양단에 음극 및 양극 전극을 고정시켜 이루어진다. 본 발명을 구성하는 각 전극은 쌍극(bipolar) 전극으로서, 전극의 상부에는 제 1 및 제 2 가스 흐름용 구멍이, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있으며, 각 개스킷은 전극의 외곽부와 대응하는 링형의 부재로서, 상부에는 제 1 및 제 2 연장부가, 하부에는 제 3 연장부가 중심부를 향한 상태로 각각 구성되어 있어 각 연장부가 그 사이에 위치한 전극의 각 구멍 주변 부위를 가압하며, 제 1 및 제 2 가스 흐름용 구멍과 전해액 흐름용 구멍이 각 연장부에 형성되어 있다. 또한, 각 격막은 상부에 제 1 및 제 2 가스 흐름용 구멍이, 하부에 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있으며, 각 격막 고정 링은 각 개스킷과 동일한 형상을 가지며, 상부에는 가스 흐름용 구멍이 각각 형성된 제 1 및 제 2 연장부가, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 형성된 제 3 연장부가 중심부를 향하게 각각 구성되어 있어 각 연장부가 셀 프레임 사이에 위치한 격막의 각 구멍 주변 부위를 가압한다. 각 셀 프레임은 전극보다 규격이 크며, 상부에는 가스 흐름용 구멍이 각각 형성된 제 1 및 제 2 연장부가, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 형성된 제 3 연장부가 각각 구성되되, 각 구멍은 전극 및 각 개스킷에 형성된 가스 흐름용 구멍 및 전해액 흐름용 구멍과 각각 대응되어, 각 전극의 제 1 표면에서 형성된 산소 가스는 제 1 가스 흐름용 구멍을 통하여, 각 전극의 제 2 표면에서 형성된 수소 가스는 제 2 가스 흐름용 구멍을 통하여 각각 외부로 배출되고, 외부에서 공급된 전해액은 전해액 흐름용 구멍을 통하여 내부로 유입된다.
각 셀 프레임에는 그 전면(前面)에 외곽부를 따라 일정 폭 및 높이의 제 1철부(凸部)가 형성되고, 그 후면에는 전면의 제 1 철부와 동일한 폭 및 깊이의 제 1 요부(凹部)가 형성되어 2개의 셀 프레임 결합시 전방 셀 프레임의 제 1 철부가 후방 셀 프레임의 제 1 요부 내에 수용되어 양 셀 프레임이 결합된다.
각 셀 프레임은 그 전면의 제 1, 제 2 및 제 3 연장부 각 구멍 연변에는 제 1, 제 2 및 제 3 원통부가 각각 형성되고, 후면의 각 구멍 각 연변에는 일정한 깊이의 요부가 각각 형성되되, 전면의 제 1 원통부 및 제 3 원통부 양측 및 부재 중심을 향한 부분에는 일정한 폭의 절개부가 각각 형성되고, 제 2 및 제 3 연장부 후면의 구멍 주변 요부의 양측 및 부재 중심을 향한 부분에는 절개부가 각각 형성되어 있다. 또한, 각 격막 고정 링은 제 1 및 제 3 연장부의 양측 및 부재 중심을 향한 부분에는 일정 폭의 절개부가 각각 형성되고, 제 3 연장부 후면의 구멍 양측 및 부재 중심을 향한 부분에는 절개부가 형성되어 있다. 격막 고정 링을 통하여 격막을 각 셀 프레임에 결합할 때 셀 프레임 전면의 제 1 원통부의 절개부와 격막 고정 링의 대응 연장부 표면에 형성된 절개부가 연통되어 셀 프레임에 장착된 전극의 제 1 표면에서 발생된 가스는 격막 고정 링의 절개부, 셀 프레임의 제 1 원통부의 절개부 및 제 1 구멍을 통하여 외부로 배출되며, 전극의 제 2 표면에서 발생된 가스는 전방에 위치한 다른 셀 프레임의 제 2 원통부 후면에 형성된 절개부 및 제 2 구멍을 통하여 외부로 배출되며, 외부에서 전해액 흐름용 구멍으로 유입된 전해액은 각 셀 프레임의 제 3 연장부 전, 후면의 구멍 주변에 형성된 절개부를 통하여 각 전극 사이의 공간으로 유입된다.
도 1은 본 발명에 따른 전해조를 구성하는 부재들을 도시한 분리 사시도.
도 2는 도 1의 각 부재를 결합시켜 구성한 전해조의 정면도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 한 구성 부재인 셀 프레임의 정면도 및 배면도.
도 3c는 도 3a의 선 A-A를 따라 절취한 상태의 단면도.
도 4a 및 도 4b는 격막 고정 링의 정면도 및 배면도.
도 5는 각 부재의 결합 관계를 도시하기 위한 전해조의 상세 단면도.
도 6은 도 5의 "K"부의 상세도.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고하여 보다 상세히 설명한다.
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, 격막 및 셀 프레임의 구조를 어느 하나 만을 예를 들어 설명한다.
양극 전극(101) 및 음극 전극(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, 음극 전극(102)의 외측 표면에는 전해액 공급구 연결 니플(102b)이, 양극 전극(101)의 외측 표면에는 2개의 가스 배출구 연결 니플(101b; 도 2에서는 하나의 니플만이 도시됨)이 각각 고정되어 있다. 양극 및 음극 전극(101 및 102)은 4개의 스테이 볼트에 의하여 일체화된다.
전극(50)
도 1에서는 하나의 전극(50)만이 도시되어 있으나, 양극 전극(101)과 음극 전극(102)의 사이에는 다수의 원판형 전극(50; 쌍극(bipolar) 전극)들이 위치한다. 전극(50)의 상부에는 산소 가스 흐름용 구멍(51)과 수소 가스 흐름용 구멍(52)이 각각 형성되어 있으며, 하부에는 전해액 흐름용 구멍(53)이 형성되어 있다.
양극 전극(101)과 음극 전극(102)에 전압을 인가하면, 예를 들어 양극 전극 (101)에 대응하는 전극(50)의 표면에는 반대 극성(즉, 음극)의 전하가 대전되며, 그 반대 표면에는 양극 전극(101)과 동일한 극성의 전하가 대전된다. 또한, 전하가 대전된 전극(50)에 인접한 또다른 전극(도시되지 않음)의 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(50)에서 발생되며, 따라서 마주보는 전극(50)의 표면에 서로 다른 극성의 전하가 대전됨으로서 전극들(50) 사이에 위치하는 전해액에 대한 전기 분해가 이루어져 산소 가스 및 수소 가스가 발생된다.
격막(20)
양극 전극(101)과 전극(50) 사이, 다른 극성으로 대전되는 전극들(50) 사이 및 전극(50)과 음극 전극(102) 사이에는 전극(50)보다 작은 직경의 원판형 격막 (20)이 위치한다. 각 격막(20)의 상부에는 산소 가스 흐름용 구멍(21)과 수소 가스 흐름용 구멍(22)이 각각 형성되어 있으며, 하부에는 전해액 흐름용 구멍(23)이 형성되어 있다. 격막(20)은 어느 한 전극(50)의 양극(+)으로 대전된 표면에서 발생된 산소와 마주보는 전극(50)의 음극(-)으로 대전된 표면에서 발생된 수소의 혼합을 방지한다. 또한, 격막(20)은 전극(50) 사이에 존재하는 전해액의 이온 흐름을 원활하게 해주어야만 전기 분해에 필요한 에너지를 줄일 수 있다.
셀 프레임(10; cell frame)
양극 전극(101) 및 각 전극(50)의 후방(도 1 기준)에는 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 전극(50)의 상부 및 하부에 형성된 구멍과 각각 대응하는 산소 가스 흐름용 구멍, 수소 가스 흐름용 구멍 및 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있다. 각 셀 프레임(10)의 구성에 대해서는 도 3과 관련하여 추후 설명하기로 한다.
개스킷(40; gasket)
양극 전극(101)과 격막(20), 전극(50)과 격막(20), 셀 프레임(10)과 전극 (50) 및 셀 프레임(10)과 음극 전극(102) 사이에는 밀봉용 개스킷(40)이 각각 위치한다. 개스킷(40)은 링(ring)형으로서, 그 직경은 전극(50)의 직경과 동일하다. 개스킷(40)의 상부 및 하부에도 전극(50) 및 셀 프레임(10)의 상부 및 하부에 형성된 구멍(51, 52 및 53)과 대응하는 산소 가스 흐름용 구멍(41), 수소 가스 흐름용 구멍(42) 및 전해액 흐름용 구멍(43)이 각각 형성되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 각 개스킷(40)에 형성된 구멍들(41, 42 및 43)은 본체에서 내측으로 원형으로 연장된 연장부(41A, 42A 및 43A) 중앙부에 각각 형성되어 있다. 따라서, 전극(50) 양면에 개스킷(40)을 각각 밀착시킬 때, 양 부재(40 및 50)의 각 구멍(41 및 51, 42 및 52, 43 및 53)이 서로 연통된 상태에서 개스킷(40)의 각 연장부(41A, 42A 및 43A)는 전극(50)의 구멍(51, 52 및 53) 주변 표면에 기밀 상태로 밀착된다.
격막 고정용 링(30)
격막(20)과 개스킷(40) 사이에 위치하는 격막 고정용 링(30; 이하 편의상 "링" 이라 칭함)의 형상은 개스킷(40)의 형상과 동일하다. 즉, 링(30)의 직경은 그 직경은 전극(50)의 직경과 동일하며, 그 상부 및 하부에 전극(50) 및 셀 프레임 (10)의 상부 및 하부에 형성된 구멍과 대응하는 산소 가스 흐름용 구멍(31), 수소 가스 흐름용 구멍(32) 및 전해액 흐름용 구멍(33)이 각각 형성되어 있다. 후에 설명할 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 각 링(30)에 형성된 구멍들(31, 32 및 33)은 본체에서 내측으로 원형으로 연장된 연장부(31A, 32A 및 33A) 중앙부에 각각 형성되어 있다. 따라서, 프레임(10) 일면에 격막(20)을 밀착, 고정시킬 때, 링(30)과 격막(20)의 각 구멍(31 및 21, 32 및 22, 33 및 23)이 서로 연통된 상태에서 링(30)의 각 연장부 (31A, 32A 및 33A)는 격막(20)의 구멍(21, 22 및 23) 주변 표면에 기밀 상태로 밀착된다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 한 구성 부재인 셀 프레임(10)의 정면도 및 배면도, 도 3c는 도 3a의 선 A-A를 따라 절취한 상태의 단면도로서, 상술한 셀 프레임(10)의 구성을 보다 상세히 도시한다. 링(ring)형의 셀 프레임(10)은 도 3c에 도시된 바와 같이 두께가 서로 다른 내측부(I)와 외측부(O)로 구분되며, 내측부(I)의 두께가 외측부(O)의 두께보다 얇게 이루어져 있다.
셀 프레임(10)의 상부(도 3a 기준)에는 중심을 향하여 연장된 제 1 및 제 2연장부(10E-1, 10E-2)가 구성되어 있으며, 각 연장부(10E-1, 10E-2) 중앙에는 산소 가스 흐름용 구멍(H1) 및 수소 가스 흐름용 구멍(H2)이 각각 형성되어 있다. 또한, 셀 프레임(10) 하부에는 중심을 향하여 연장된 제 3 연장부(10E-3)가 구성되어 있으며, 제 3 연장부(10E-3) 중앙에는 전해액 흐름용 구멍(H3)이 형성되어 있다.
셀 프레임(10) 전면(前面)부 외곽부, 즉 외측부(O) 표면에는 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, 내측부(I) 표면에도 미세한 높이의 제 3 철부 (13A)가 형성되어 있다. 각 연장부(10E-1, 10E-2 및 13E-3) 중앙부에 형성된 상술한 각 구멍들(H1, H2 및 H3) 연변에는 중공 원통부(14A-1, 14A-2 및 14A-3)가 형성되어 있으며, 그 외경은 개스킷(40) 및 전극(50)에 형성된 구멍(41, 42, 43 및 51, 52, 53)의 직경과 동일하다.
한편, 산소 가스 흐름용 구멍(H1) 연변에 형성된 제 1 원통부(14A-1)의 상부 및 전해액 흐름용 구멍(H3) 연변에 형성된 제 3 원통부(14A-3)의 하부에는 양측을 수평으로 소정 깊이 절개한 절개부(A11 및 A13)를 각각 구성하여 연장부(10E-1 및 10E-3) 표면과 구멍(H1 및 H3)을 연통시킨다. 또한, 산소 가스 흐름용 구멍(H1) 연변에 형성된 제 1 원통부(14A-1)의 하부 및 전해액 흐름용 구멍(H3) 연변에 형성된 제 3 원통부(14A-3)의 상부에는 중심을 향하여 소정 깊이 절개한 절개부(A21 및 A23)를 각각 구성하여 연장부(10E-1 및 10E-3) 표면과 구멍(H1 및 H3)을 연통시킨다.
셀 프레임(10) 후면(後面)부는 평편한 형태로서, 외측부(O)에는 전 부재에걸쳐 일정 폭 및 깊이의 제 1 요부(11B; 凹部)가 형성되어 있으며, 그 내측에는 미세한 높이의 제 1 철부(12B)가 형성되어 있다. 또한, 산소 가스 및 수산 가스 흐름용 구멍(H1 및 H2) 및 전해액 흐름용 구멍(H3)의 연변에도 일정 깊이 및 폭을 갖는 제 2 요부(13B-1, 13B-2 및 13B-3)가 각각 형성되어 있다. 한편, 수소 가스 흐름용 구멍(H2)과 전해액 흐름용 구멍(H3)이 형성된 연장부(10E-2 및 10E-3) 후면에는 셀 프레임(10) 본체 내측단과 인접하는 부분을 절개한 절개부(B12, B13)를 구성하여 연장부(10E-2 및 10E-3) 표면과 구멍(H2, H2)을 각각 연통시키며, 연장부(10E-2, 10E-3) 내측 표면에는 반경 방향으로 절개부(B22, B23)를 구성하여 연장부(10E-2 및 10E-3) 표면과 구멍(H2, H3)을 연통시킨다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 한 구성 부재인 격막 고정 링(30)의 정면도 및 배면도로서, 격막 고정 링(30)의 구성을 보다 상세히 설명한다. 격막 고정 링(30) 역시 링 형태로서, 내경은 셀 프레임(10)의 내경과 동일하지만, 외경은 셀 프레임(10)의 내측부(I)의 외경과 동일하다.
격막 고정 링(30)의 상부(도 4a 기준)에는 내측부에서 중심을 향하여 연장된 제 1 및 제 2 연장부(30E-1, 30E-2)가 구성되어 있으며, 각 연장부(30E-1, 30E-2) 중앙에는 산소 가스 흐름용 구멍(G1) 및 산소 가스 흐름용 구멍(G2)이 각각 형성되어 있다. 또한, 격막 고정 링(30) 하부에는 중심을 향하여 연장된 제 3 연장부 (30E-3)가 구성되어 있으며, 이 연장부(30E-3) 중앙에는 전해액 흐름용 구멍(G3)이 형성되어 있다.
격막 고정 링(30)의 전면 및 후면은 평편한 형태로서, 본체 중앙부 전면 및후면에는 전 부재에 걸쳐 일정 높이의 철부(30A, 30B)가 각각 형성되어 있다. 한편, 전면부에는, 산소 가스 흐름용 구멍(G1)과 전해액 흐름용 구멍(G3)이 형성된 연장부(30E-1 및 30E-3)상에 본체 내측단과 인접하는 부분을 절개한 절개부(B31-1, B33-1)를 구성하여 연장부(30E-1 및 30E-3) 표면과 구멍(G1, G3)을 각각 연통시키며, 연장부(30E-1, 30E-3) 내측부에도 반경 방향으로 절개부(B31-2, B33-2)를 구성하여 연장부(30E-1 및 30E-3) 표면과 구멍(G1, G3)을 연통시킨다.
이상과 같은 부재들을 조립하여 전해조를 구성하는 과정을 각 도면을 통하여 설명하며, 이하의 설명에서 편의상 각 부재의 상부에 구성된 산소 가스 흐름용 구멍 및 수소 가스 흐름용 구멍을 각각 "제 1 상부 구멍" 및 "제 2 상부 구멍"으로, 하부에 구성된 전해액 흐름용 구멍을 "하부 구멍"으로 칭한다.
먼저, 개스킷(40), 전극(50), 개스킷(40), 격막 고정링(30), 격막(20) 및 셀 프레임(10)으로 하나의 단위 세트(예를 들어, 도 1에서 A 또는 B)를 조립한다. 개스킷(40), 전극(50) 및 개스킷(40), 격막 고정링(30) 및 격막(20)의 각 제 1 상부 구멍(41, 51, 41, 31, 21) 및 제 2 상부 구멍(42, 52, 42, 32, 22)과 하부 구멍 (43, 53, 43, 33, 23)을 서로 대응시킨 상태에서 셀 프레임(10) 전면에 밀착시키면, 개스킷(40), 전극(50), 개스킷(40), 격막 고정링(30) 및 격막(20)의 제 1 및 제 2 상부 구멍(41, 51, 41, 31, 21 및 42, 52, 42, 32, 22)과 하부 구멍(43, 53, 43, 33, 23)은 셀 프레임(10)의 각 연장부(13E-1, 13E-2 및 13E-3) 전면에 형성된 원통부(13B-1, 13B-2 및 13B-3)에 끼워진다.
이때, 격막(20)과 격막 고정 링(30)의 외곽단은 셀 프레임(10) 전면의 내측부(I)와 외측부(O)의 경계단에 일착된다. 격막 고정 링(30)의 각 연장부(30E-1, 30E-2 및 30E-3)와 셀 프레임(10)의 각 연장부(10E-1, 10E-2 및 10E-3) 사이에는 격막(20)의 외곽부가 위치하게 되어 결과적으로 격막(20)은 격막 고정 링(30)과 셀 프레임(10) 사이에서 지지된다.
한편, 개스킷(40), 전극(50) 및 개스킷(40)의 외곽단은 셀 프레임(10) 전면 외측부(O)에 형성된 제 1 철부(11A) 내면에 밀착된다. 여기서 격막 고정링(30) 후면에 형성된 철부(30A) 및 셀 프레임(10) 전면에 형성된 제 2 철부(12A)는 그 사이에 위치한 격막(20)의 외곽부에 각각 접촉하게 됨으로서 보다 우수한 밀봉 효과를 얻을 수 있다. 또한, 전극(50) 전, 후방에 위치한 개스킷(40)들의 연장부들(41, 42 및 43)은 전, 후방에서 전극 (50)의 상부 및 하부 구멍(51, 52 및 53) 연변에 각각 밀착된다.
이와 같이 개스킷(40), 전극(50), 개스킷(40), 격막 고정 링(30), 격막(20) 및 셀 프레임(10)으로 이루어진 다수의 단위 세트(A)를 수평 적층 상태로 조립함으로서 전해조가 구성되며, 이하의 설명에서는 편의상 2개의 단위 세트(A 및 B)를 이용하여 단위 세트의 결합을 설명한다. 또한, 이하의 설명에서는 편의상 2개의 단위 세트 중에서 전방(도 1 및 도 6 기준)의 단위 세트를 제 1 단위 세트(A)로, 후방의 단위 세트를 제 2 단위 세트(B)로 칭한다.
위와 같이 조립된 제 1 및 제 2 단위 세트(A 및 B)를 각 부재에 형성된 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 형성된제 1 요부(11B) 내에 끼워진다. 또한, 제 2 단위 세트(B)의 셀 프레임(10) 전면의 각 구멍(H1, H2 및 H3) 연변에 형성된 원통부(14A-1, 14A-2 및 14A-3)는 제 1 단위 세트(A)의 셀 프레임(10) 후면의 각 구멍 연변에 형성된 제 2 요부(13B-1, 13B-2 및 13B-3) 내에 각각 수용된다. 한편, 제 1 단위 세트(A)의 셀 프레임(10)의 후면에 형성된 제 2 철부(12B)는 제 2 단위 세트(B)의 전방 개스킷(40) 표면을 가압하게 된다.
이와 같이 다수의 단위 세트들(A, B)을 조립하는 경우, 어느 한 단위 세트 (B)의 각 전극(50)과 또다른 단위 세트(A)의 전극(도 1에서는 양극 전극 (101)) 사이에는 격막(20)이 위치하게 되며, 따라서 이 격막(20)에 의하여 어느 한 단위 세트(예를 들어 B)의 전극(50)의 한 표면에서 발생된 수소 가스(또는 산소 가스)는 또다른 단위 세트의 전극의 마주보는 표면에서 발생된 산소 가스(또는 수소 가스)와 혼합되지 않게 된다. 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 2 단위 세트(B)의 셀 프레임(10) 전면의 산소 가스 흐름용 구멍 (H1) 연변에 형성된 제 1 원통부(13A-1)의 각 절개부(A11 및 A21)는 격막 고정 링(30)의 산소 가스 흐름용 구멍(G1)이 형성된 연장부(30E-1)상의 절개부(B31-1 및 B31-2)와 각각 대응된 상태이다. 또한, 격막 고정 링(30)의 전면은 그 전방에 위치한 제 1 단위 세트(B)의 셀 프레임(10) 연장부(10E-1)에 후면에 밀착된 상태(물론 그 사이에는 개스킷(40)이 위치함)가 된다.
따라서 전기 분해에 의하여 격막(20) 전방에 위치한 전극(50)의 후면(後面)에서 발생된 산소 가스는 격막 고정 링(30)의 연장부(30E-1)에 형성된 절개부(B31-1, B31-2) 및 셀 프레임(10)의 산소 가스 흐름용 구멍(H1) 연변에 형성된 제 1 원통부(14A-1)에 형성된 절개부(A11, A2)를 통하여 산소 흐름용 구멍(H1)으로 유입된다. 이때, 산소 가스는 격막(20)에 의하여 인접한 다른 단위 세트의 셀 프레임으로 유동하지 않음은 물론이다.
또한, 외부에서 전해액 흐름용 구멍(H3)으로 유입된 전해액은 셀 프레임(10)의 전해액 흐름용 구멍(H3) 연변에 형성된 제 3 원통부(13A-3)의 절개부(A13, A23) 및 격막 고정 링(30)의 연장부(30E-3)에 형성된 절개부(B33-1, B33-2)를 통하여 격막(30) 전방 공간으로 유입된다. 그러나, 셀 프레임(10) 및 격막 고정링(30)의 수소 가스 흐름용 구멍(H2 및 G2)이 형성된 연장부(10E-2 및 30E-3)에는 절개부가 구성되어 있지 않기 때문에 산소 가스가 수소 가스 흐름용 구멍(H2)으로 유입되지 않음은 물론이다.
한편, 제 2 단위 세트(B)의 전방에 위치하는 제 1 단위 세트(A)의 셀 프레임 (10)에서는, 수소 가스 흐름용 구멍(H2)이 형성된 연장부(10E-2) 후면에 형성된 절개부(B12, B22)는 제 2 단위 세트(B)의 전극(50) 및 개스킷(40)에 의하여 밀폐된 통로를 형성하게 된다. 따라서, 전기 분해에 의하여 제 2 단위 세트(B)의 격막(20) 전방에 위치한 전극(50)의 전면(前面)에서 발생된 수소 가스는 제 1 단위 세트(A)의 셀 프레임(10) 연장부(30E-2)에 후면에 형성된 절개부(B12, B22)를 통하여 수소 가스는 흐름용 구멍(H2)으로 유입되며, 이 수소 가스는 격막(20)에 의하여 흐름이 차단되어 제 1 단위 세트(A)의 전극에서 발생된 산소 가스와 혼합되지 않음은 물론이다.
또한, 외부에서 셀 프레임의 전해액 흐름용 구멍(H3)으로 유입된 전해액은 셀 프레임(10)의 전해액 흐름용 구멍(H3) 연변에 형성된 제 3 원통부(13A-3)의 절개부(B13, B23) 및 제 2 단위 세트의 격막 고정 링(30)의 연장부 (30E-3)에 형성된 절개부(B33-1, B33-2)를 통하여 격막(30) 전방 공간으로 유입된다.
본 발명에서, 외부에서 공급된 전해액은 적층된 각 부재의 하부 구멍을 통과하는 과정에서 겹쳐진 셀 프레임들(10) 중에서 후방 셀 프레임(10)의 하부 연장부 (10E-3)에 형성된 하부 구멍(H3), 후방 셀 프레임(10)의 하부 원통부(14A-3)에 형성된 절개부(A13 및 A23) 및 전방 셀 프레임(10)의 하부 연장부(10E-3) 후면 표면에 형성된 절개부(B13 및 B23)가 형성하는 통로를 통하여 전해조 내부 공간, 즉 다수의 개스킷(40), 전극(20) 및 셀 프레임(10)들이 형성하는 공간 내로 유입된다.
이와 같이, 전기 분해에 의하여 각 세트의 전극의 후면에서 발생된 산소 가스(전해액이 함유된 상태임)는 셀 프레임(10)의 제 1 상부 연장부(10E-1)의 제 1 원통부(14A-1)에 형성된 절개부(A11, A21)와 셀 프레임(10)에 장착된 격막 고정 링(30)의 제 1 연장부(30E-1) 표면에 형성된 절개부(B31-1, B31-2)가 형성하는 통로를 통하여 셀 프레임(10)의 제 1 상부 구멍(H1) 내로 유입되며, 이후 각 부재의 제 1 상부 구멍을 통과한 후 외부의 수집 탱크로 배출된다.
이와 달리, 각 세트의 전극의 전면에서 발생된 수소 가스(전해액이 함유된 상태임)는 전방에 위치한 다른 단위 세트를 구성하는 셀 프레임(10)의 제 2 상부 연장부(10E-2) 후면에 형성된 절개부(B12, B22)가 형성하는 통로를 통하여 전방 셀 프레임(10)의 제 2 상부 구멍(H2) 내로 유입되며, 이후 각 부재의 제 2 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 조립체 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 체결되어 최종적인 전해조(100)이 완성된다. 이때 각 부재들은 일정한 압력으로 가압된다. 여기서, 음극 및 양극 전극(101, 102)의 볼트 구멍에는 절연재(예를 들어, 플라스틱) 재질의 부시가 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), 개스킷(40), 격막(20) 및 격막 고정용 링(30)에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
셀 프레임(10)과 격막 고정용 링(30)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 프레임(10)의재료로서는 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(40)은 셀 프레임(10)의 조건에 더하여 탄성을 가져야 한다. 개스킷 (40)으로 적당한 재료로는 에틸렌-프로필렌 공중합체(EPDM) 및 폴리테트라 플루오로에틸렌(테프론)등을 사용할 수 있고, 0.3 내지 0.5mm의 두께가 바람직하다.
격막(20)은 양극(101), 음극(102) 및 각 전극(50)에서 발생된 산소 가스와 수소 가스의 혼합을 방지하기 위한 것으로서, 이러한 목적과 함께 에너지 효율을 향상(즉, 각 전극으로의 원활한 이온 흐름)시키기 위해서는 격막(30)은 우수한 전기 전도도를 가져야 한다. 본 발명에서는 두께가 1.0~2.0mm, 중량이 350~500g/cm2인 폴리페닐렌설파이드의 유기합성 섬유를 온도가 70~80℃인 진한 황산(90% 이상)으로 2시간 동안 처리하고, 물로 세척한 후 150℃의 온도 하에서 3시간 동안 건조시켜 제조된 격막(20)을 이용하였으며, 이런 공정을 거친 격막(20)은 높은 내열성과 향상된 전기 전도도를 갖는다.
이상과 같이 이루어진 본 발명에 따른 전해조의 구성 및 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 "K"부의 상세도이다.
1. 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 단위 세트를 구성하는 전방 개스킷(40)의 전면과 후방 개스킷(40)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(40)의 기밀 기능을 효율적으로 증가시켜 전해액 및 수산 가스의 외부 유출이 이루어지지 않는다.
2. 하나의 전극(50) 양면에는 동일한 규격의 링형 개스킷(40)이 각각 밀착되어 있고, 특히 전극(20)의 상부 구멍(21, 22) 및 하부 구멍(23) 연변에는 각 개스킷(40)의 연장부(41A, 42A, 43A) 표면이 압착되어 있으므로 전극(50) 표면에 대전된 전하가 전극의 가공면 및 각 구멍(51, 52, 53)의 가공면으로 집중되는 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 전극(50)의 전면(全面)에 걸쳐 전류 밀도를 균일하게 유지시켜 전류 효율을 증가시킬 수 있다.
3. 상술한 바와 같이, 본 발명에서는 각 단위 세트의 전극(50) 후면에는 격막(20)이 위치하며, 따라서 각 전극(50) 사이에 격막이 위치하게 된다. 결과적으로, 각 전극(50) 표면에서 발생된 수소 가스(또는 산소 가스)는 마주보는 전극의 표면에서 발생한 산소 가스(또는 수소 가스)와 혼합되지 않게 된다. 이와 함께, 각 셀 프레임(10)의 전면의 상부 연장부들(10E-1, 10E-2)에 형성된 원통부들(14A-1, 14A-2)중에서 제 1 원통부(14A-1)에만 예를 들어, 산소 가스의 흐름을 위한 절개부(A11, A21)를 구성하고, 다른 연장부(14A-2) 후면에는 예를 들어, 수소 가스의 흐름을 위한 절개부(B12, B22)만을 형성함으로서 분리된 상태의 가스를 셀 프레임(10)의 각 가스 구멍(H1 또는 H2)으로 유입시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명은 단위 유니트를 구성하는 각 전극의 전방에 격막을 위치시킴으로서 전극의 각 표면에서 발생한 산소 가스와 수소 가스를 분리시킨 상태에서 외부로 배출시킬 수 있어 고순도의 가스를 생산할 수 있다.
또한, 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.

Claims (6)

  1. 내부로 공급된 전해액에 대한 전기 분해를 진행하여 가스를 발생시키는 전해조에 있어서,
    개스킷, 전극, 개스킷, 격막 고정 링, 격막 및 셀 프레임이 순차적으로 결합된 단위 세트를 다수개 적층시키고 그 양단에 음극 및 양극 전극을 고정시켜 이루어지되,
    각 전극은 쌍극(bipolar) 전극으로서, 전극의 상부에는 제 1 및 제 2 가스 흐름용 구멍이, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있으며,
    각 개스킷은 전극의 외곽부와 대응하는 링형의 부재로서, 상부에는 제 1 및 제 2 연장부가, 하부에는 제 3 연장부가 중심부를 향한 상태로 각각 구성되어 있어 각 연장부가 그 사이에 위치한 전극의 각 구멍 주변 부위를 가압하며, 제 1 및 제 2 가스 흐름용 구멍과 전해액 흐름용 구멍이 각 연장부에 형성되어 있으며,
    각 격막은 상부에 제 1 및 제 2 가스 흐름용 구멍이, 하부에 전해액 흐름용 구멍이 각각 형성되어 있으며,
    각 격막 고정 링은 각 개스킷과 동일한 형상을 가지며, 상부에는 가스 흐름용 구멍이 각각 형성된 제 1 및 제 2 연장부가, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 형성된 제 3 연장부가 중심부를 향하게 각각 구성되어 있어 각 연장부가 셀 프레임 사이에 위치한 격막의 각 구멍 주변 부위를 가압하며,
    각 셀 프레임은 전극보다 규격이 크며, 상부에는 가스 흐름용 구멍이 각각형성된 제 1 및 제 2 연장부가, 하부에는 전해액 흐름용 구멍이 형성된 제 3 연장부가 각각 구성되되, 상기 각 구멍은 전극 및 각 개스킷에 형성된 가스 흐름용 구멍 및 전해액 흐름용 구멍과 각각 대응되어, 각 전극의 제 1 표면에서 형성된 산소 가스는 제 1 가스 흐름용 구멍을 통하여, 각 전극의 제 2 표면에서 형성된 수소 가스는 제 2 가스 흐름용 구멍을 통하여 각각 외부로 배출되고, 외부에서 공급된 전해액은 전해액 흐름용 구멍을 통하여 내부로 유입되는 것을 특징으로 하는 전해조.
  2. 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.
  3. 제 1 항에 있어서, 각 셀 프레임 본체 전, 후면의 각 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.
  4. 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 형성되어 2개의 셀 프레임 결합시 전방 셀 프레임의 제 1 철부가 후방 셀 프레임의 제 1 요부 내에 수용되어 양 셀 프레임이 결합되는 것을 특징으로 하는 전해조.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 각 셀 프레임은 그 전면의 제 1, 제 2 및 제 3 연장부 각 구멍 연변에 제 1, 제 2 및 제 3 원통부가 각각 형성되고, 후면의 각 구멍 각 연변에는 일정한 깊이의 요부가 각각 형성되되, 전면의 제 1 원통부 및 제 3 원통부 양측 및 부재 중심을 향한 부분에는 일정한 폭의 절개부가 각각 형성되고, 제 2 및 제 3 연장부 후면의 구멍 주변 요부의 양측 및 부재 중심을 향한 부분에는 절개부가 각각 형성되어 있으며,
    상기 각 격막 고정 링은 제 1 및 제 3 연장부의 양측 및 부재 중심을 향한 부분에는 일정 폭의 절개부가 각각 형성되고, 제 3 연장부 후면의 구멍 양측 및 부재 중심을 향한 부분에는 절개부가 형성되어 있어
    격막 고정 링을 통하여 격막을 각 셀 프레임에 결합할 때 셀 프레임 전면의 제 1 원통부의 절개부와 격막 고정 링의 대응 연장부 표면에 형성된 절개부가 연통되어 셀 프레임에 장착된 전극의 제 1 표면에서 발생된 가스는 격막 고정 링의 절개부, 셀 프레임의 제 1 원통부의 절개부 및 제 1 구멍을 통하여 외부로 배출되며, 전극의 제 2 표면에서 발생된 가스는 전방에 위치한 다른 셀 프레임의 제 2 원통부 후면에 형성된 절개부 및 제 2 구멍을 통하여 외부로 배출되며, 외부에서 전해액 흐름용 구멍으로 유입된 전해액은 각 셀 프레임의 제 3 연장부 전, 후면의 구멍 주변에 각각 형성된 절개부를 통하여 각 전극 사이의 공간으로 유입되는 것을 특징으로 하는 전해조.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 격막은 두께가 1.0~2.0mm, 중량이 350~500g/cm2인 폴리페닐렌설파이드의 유기합성 섬유를 온도가 70~80℃인 진한 황산(90% 이상)으로 2시간 동안 처리하고, 물로 세척한 후 150℃의 온도 하에서 3시간 동안 건조시켜 제조된 것을 특징으로 하는 전해조.
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