KR20050028050A - 전기화학 전지 - Google Patents

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KR20050028050A
KR20050028050A KR1020057001610A KR20057001610A KR20050028050A KR 20050028050 A KR20050028050 A KR 20050028050A KR 1020057001610 A KR1020057001610 A KR 1020057001610A KR 20057001610 A KR20057001610 A KR 20057001610A KR 20050028050 A KR20050028050 A KR 20050028050A
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프리츠 게스터만
안드레아스 불란
리차드 말코브
한스-디터 핀터
발터 클레스퍼
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바이엘 머티리얼사이언스 아게
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
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Abstract

본 발명은 양극으로서 금속 전극을 갖는 하나 이상의 양극 공간, 음극으로서 기체 확산 전극을 갖는 음극 공간, 및 상기 양극 공간과 음극 공간 사이에 배열된 이온 교환 멤브레인(membrane)을 포함하는, 멤브레인 전기분해 방법용 전기화학 전지에 관한 것이다. 양극으로서 사용되는 금속 전극은 전해질에 침지되어 있고, 작동중 형성된 기체를 통과시키기 위해 오리피스(orifice, 14)를 가지며, 임의적으로 기울어지고(지거나) 구부러져 있다. 상기 오리피스는 형성된 기체를 음극의 반대편에 위치한 금속 전극의 측면으로 이동시키는 가이드(guide) 구조물(12)을 포함한다.

Description

전기화학 전지{ELECTROCHEMICAL CELL}
본 발명은 특히 음극으로서 기체 확산 전극을 사용하는 멤브레인(membrane) 방법에 의해 염화수소 수용액을 전기분해하는데 사용되는 전기화학 전지에 관한 것이다.
염화수소 수용액(이하, 염산으로도 지칭함)은 많은 화학 공정에서 부산물로 수득된다. 이러한 공정에는 특히 유기 탄화수소 화합물이 염소의 보조하에 산화되는 방법이 포함된다. 이들 유기 염소 화합물 대부분은 공업화학 분야, 예를 들어 플라스틱 생산분야에서 중요한 중간체이다. 상기 염산으로부터 염소를 회수하는 것은 염소를, 예를 들어 이후의 염소화 공정에 사용할 수 있기 때문에 경제적으로 중요하다. 염소는 염산으로부터, 예를 들어 전기분해 방식으로 회수될 수 있다.
염산의 전기분해 방법은, 예를 들어 미국 특허 제US-A-5 770 035호에 개시되어 있다. 적합한 양극은, 예를 들어 루테늄, 이리듐 및 티탄의 혼성 산화물로 코팅된 티탄-팔라듐 합금의 기판으로 구성되며, 양극 공간은 염화수소 수용액으로 채워진다. 양극에서 형성된 염소는 양극 공간으로부터 빠져나가 적절한 처리공정으로 공급된다. 양극 공간은 통상적인 양이온 교환 멤브레인에 의해 음극 공간과 분리된다. 기체 확산 전극은 음극쪽 양이온 교환 멤브레인상에 위치한다. 다음으로 기체 확산 전극은 배전체상에 위치한다. 기체 확산 전극은, 예를 들어 산소-소모성 음극(OCC)이다. 기체 확산 전극으로서 OCC를 사용하는 경우, 산소-함유 기체 또는 순수한 산소가 일반적으로 음극 공간으로 들어가 OCC에서 반응한다.
전극에서 전기화학적으로 기체가 형성되는 현상은 전기분해 방법에 불리한 영향을 미친다. 유체정역학적 및 유체역학적 영향을 미치는 것 외에, 기포는 전해질내 옴(ohm) 저항을 증가시킨다. 기포의 영향을 상쇄시키기 위해, 독일 특허 제DE 3 401 637호에는 양극 공간과 음극 공간이 분리된 전기화학 전지에서 전기분해하는 방법이 제안되어 있는데, 이 전지에서는 하나 또는 양 전극이 통로를 가지며 전해질이 한쪽 또는 양쪽 반전지에서 전극들이 습윤되도록 상부로부터 하부로 유동한다. 즉, 전해질은 전기화학적으로 형성되어 상승하는 기체와 반대 방향으로 유동한다. 결국, 생성된 공기 기포는 하강하는 전해질 필름과 인접 기체 공간 사이의 상 경계에서 터진다.
본 발명의 목적은 양극으로서 가능한 넓은 전기화학적 활성 표면을 갖는 금속 전극을 가지고, 형성된 기체를 반대 전극인 음극쪽 대향면으로부터 상기 금속 전극 뒤에 위치한 반전지 공간으로 통과시킬 수 있는 오리피스(orifice)를 갖는, 멤브레인 전기분해 방법용 전기화학 전지를 제공하는 것이다. 특히, 상기 전기화학 전지는 기체 확산 전극을 음극으로 사용하며, 염화수소 수용액의 전기분해에 사용된다. 양극 공간은 염산으로 완전히 채워지며, 염산은 양극 공간에서 하부로부터 상부로 유동한다.
상기 목적은 형성된 기체를 금속 전극 뒤에 위치한 공간으로 이동시키는 가이드(guide) 구조물을 금속 전극의 오리피스에 제공함으로써 달성된다. 동시에, 금속 전극은 기울어지고(지거나) 구부러져 있어, 그 결과 그의 전기화학적 활성 면적이 넓어진다.
따라서, 본 발명은 양극으로서 금속 전극을 갖는 하나 이상의 양극 공간, 음극으로서 기체 확산 전극을 갖는 음극 공간, 및 상기 양극 공간과 음극 공간 사이에 배열된 이온 교환 멤브레인을 포함하며, 이때 상기 금속 전극이 전해질에 침지되어 있고 작동중 형성된 기체를 통과시키기 위한 오리피스를 가지며 임의적으로 기울어지고(지거나) 구부러져 있는, 멤브레인 전기분해 방법용 전기화학 전지에 관한 것이다. 상기 오리피스는 형성된 기체를 음극으로부터 떨어져 대향하는 금속 전극면으로 이동시키는 가이드 구조물을 갖는다.
전극의 오리피스는 슬롯(slot) 또는 구멍일 수 있을 뿐만 아니라 익스팬디드메탈(expanded metal)의 메쉬(mesh)에 의해 형성될 수도 있다. 기체를 제어된 방식으로 금속 전극 뒤 공간(이하, 후방 공간으로도 지칭함)으로 이동시키기 위해, 오리피스상의 가이드 구조물은 이온 교환 멤브레인 방향으로 기울어져 있다. 즉, 이온 교환 멤브레인에 대향하는 금속 전극의 표면에서 계속 형성되는 기체는 표면으로부터 떨어져 나와 상승하면서 금속 전극과 이온 교환 멤브레인 사이의 좁은 틈으로부터 배출된다. 이로써 기체가 좁은 중간 공간에 수집되어 전해질의 저항이 증가하는 현상이 방지된다.
본 발명에 따른 전기화학 전지의 바람직한 실시태양에서, 금속 전극의 오리피스는 금속 전극의 높이와 폭에 의해 형성된 면적의 20% 내지 70% 범위에서 총 횡단면적을 갖는다. 상기 전기화학 전지에서 금속 전극을 수직으로 배열하는 경우, 실질적으로 수직으로 배열된 전극면의 길이가 금속 전극의 높이로 간주되고, 반대 전극과 실질적으로 나란하게 수평으로 배열된 전극면의 길이가 폭으로 간주된다.
상기 전극이 실질적으로 금속 시이트(sheet)를 포함하는 경우, 전극은 바람직하게는 평평하지 않으며 구부러지고(지거나) 주름져 있다. 이러한 전극 구조의 경우에는 주름진 횡단면, Z자형 횡단면 또는 직사각형 횡단면이 바람직하게 선택된다. 이 경우 금속 전극의 전기화학적 활성 표면이 넓어진다. 염산은 전도성이 비교적 높아 전극과 반대 전극 사이의 거리가 비교적 먼 경우에서도 전기화학 반응이 관찰되기 때문에, 염화수소 수용액(염산)의 전기분해에서는 상기 전극 구조가 특히 중요하다. 금속 전극의 전기화학적 활성 표면은 특히 반대 전극(이 경우, 음극)에 대향하는 금속 전극의 표면에 의해 형성된다. 그러나, 전기화학 반응은 또한 반대 전극에 대향하지 않는 표면에서도 관찰된다. 이러한 현상은, 예를 들어 반대 전극에 직각으로 위치한 표면(예를 들어, 가장자리) 또는 반대 전극으로부터 떨어져 대향하는 표면(예를 들어, 금속 전극의 후면)에서도 나타난다. 따라서, 전기화학적 활성 표면은 전기화학 반응이 일어나는 금속 전극의 총 표면적의 비율을 의미하는 것으로 이해된다. 전기화학적 활성 표면적 대 금속 전극의 높이와 폭에 의해 결정되는 표면적의 비는 바람직하게는 1.2 이상이다.
전기분해 전지의 또다른 바람직한 실시태양에서, 금속 전극은 1mm 이상의 깊이를 갖는다. 이 깊이는 금속 전극에서 수평으로 배열되고 반대 전극에 대해서는 실질적으로 수직으로 배열된 금속 전극의 측면 길이로 간주된다. 금속 전극의 주름진 횡단면의 경우, 상기 깊이는 웨이브(wave) 진폭의 2배에 상응한다. 달리 표현하면, 상기 깊이는 전극의 가장자리들중 하나와 이온 교환 멤브레인 사이의 최소 거리와 최대 거리간 차이에 상응한다. 동일한 정의가 Z자형 횡단면을 갖는 전극의 깊이에도 적용된다.
적당한 메쉬 크기, 웹(web) 두께 및 웹 폭을 갖는 경우, 익스팬디드메탈도 원하는 전극 구조의 성질들, 즉 일정 깊이의 넓은 전기화학적 활성 표면 및 기체를 이동시키기 위한 오리피스를 갖는다. 메쉬에 의해 기체가 금속 전극의 후방으로 이동될 수 있으며, 이때 웹이 반대 전극 방향으로 기울어지도록 익스팬디드메탈이 배열되는 경우 웹은 가이드 구조물의 기능을 수행한다. 또한, 하나 이상의 익스팬디드메탈을 상기 방식으로 금속 전극, 특히 양극으로서 전기화학 전지에 설치하는 경우, 둘 이상의 동일하거나 상이한 익스팬디드메탈을 조합할 수도 있다. 금속 전극은 바람직하게는 2개의 인접한 익스팬디드메탈에 기초하는데, 이때 반대 전극에 대향하는 익스팬디드메탈은 반대 전극으로부터 떨어져 대향하는 익스팬디드메탈보다 더욱 촘촘한 구조를 가지고, 더욱 촘촘한 구조의 익스팬디드메탈은 더 나아가 평평하게 롤링(rolling)되며, 더욱 성긴 구조의 익스팬디드메탈의 웹은 메쉬 웹이 반대 전극 방향으로 기울어지도록 익스팬디드메탈이 배열되므로 가이드 구조물로서 작용한다.
본 발명에 따른 전지는 특히 염화수소 수용액의 전기분해에 사용된다. 양극 반전지는 전해질을 위한 주입구와 배출구를 가지며, 전해질은 반전지에서 하부로부터 상부로 유동하면서 반전지를 완전히 채운다. 전해질의 배출구는 또한 형성된 기체의 배출구로서도 작용한다. 적합한 양극은, 예를 들어 귀금속-코팅되거나 귀금속-도핑된 티탄 전극이다. 여기에는 티탄 전극 또는 티탄 합금 전극, 특히 예를 들어 루테늄-티탄 혼성 산화물계, 산화이리듐계 또는 백금계 내산성 염소-방출 코팅물로 코팅된 티탄-팔라듐 합금 전극이 포함된다. 상기 양극 반전지는 이온 교환 멤브레인에 의해 음극 반전지와 분리된다. 양극과 이온 교환 멤브레인 사이에는 틈이 존재한다. 특히, 산소-소모성 음극으로서 기능하는 기체 확산 전극이 음극으로 사용된다. 기체 확산 전극은 한쪽은 이온 교환 멤브레인에 기대어 위치하고, 다른 한쪽은 집전체에 기대어 위치한다. 기체 확산 전극을 산소-소모성 음극으로 사용하는 경우, 산소 또는 산소-함유 기체가 음극 공간에서 유동할 수 있다. 또한 음극 공간 내부에서 배플(baffle)을 사용하여 산소의 유동 방향에 영향을 미칠 수도 있다. 산소는 주입구를 통해 하부로부터 유입되어 배출구를 통해 상부에서 다시 제거될 수 있다. 그러나, 또한 산소를 상부로부터 하부로 유동시키거나 음극 공간에서, 예를 들어 좌측 하부로부터 우측 상부로의 층류로 유동시킬 수도 있다. 반응을 일으키는 측면에서, 산소는 화학량론적 양보다 많은 양으로 공급되어야 한다.
백금족 촉매, 바람직하게는 백금 또는 로듐을 함유하는 기체 확산 전극이 사용하기에 바람직하다. 전극상에 1.2mg Pt/㎠의 귀금속 코팅물로써 활성탄상 백금 30 중량%를 갖는 이-테크(E-TEK)(미국)의 기체 확산 전극을 예로 들 수 있다.
적합한 이온 교환 멤브레인은, 예를 들어 활성 중심으로서 술포 기를 함유하는 퍼플루오로에틸렌을 포함하는 것들이다. 예를 들어, 멤브레인 나피온(Nafion)R 324와 같은 듀퐁(DuPont)의 상업적 멤브레인을 사용할 수 있다. 양면에 동일한 당량의 술포 기를 갖는 단일층 멤브레인 및 양면에 상이한 당량의 술포 기를 갖는 멤브레인 둘다 적합할 수 있다. 카르복실 기를 갖는 멤브레인 및 카르복실 기 뿐만 아니라 술포 기를 갖는 멤브레인도 또한 사용할 수 있다.
음극면상의 배전체는, 예를 들어 티탄 익스팬디드메탈 또는 귀금속-코팅된 티탄으로 구성될 수 있으며, 다른 안정한 물질들도 사용할 수 있다.
본 발명을 하기 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 실시태양을 통해 이하에서 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 제 1 바람직한 실시태양의 전극 구조의 사시도이다.
도 2는 제 2 바람직한 실시태양의 전극 구조의 사시도이다.
도 3은 제 3 바람직한 실시태양의 전극 구조의 사시도이다.
도 4는 제 4 바람직한 실시태양의 전극 구조의 사시도이다.
도 4a는 도 4에 도시된 실시태양의 단면도이다.
도 5는 제 5 바람직한 실시태양의 전극 구조의 사시도이다.
하기 실시태양에서, 이온 교환 멤브레인 및 이어서 반대 전극에 대향하는 금속 전극의 표면은 전방으로서 지칭되며, 따라서 이온 교환 멤브레인으로부터 떨어져 대향하는 표면은 후방으로 지칭된다. 본 발명에 따른 전기화학 전지에서, 금속 전극은 이온 교환 멤브레인상에 위치하는 것이 아니라, 양극과 이온 교환 멤브레인 사이에 전해질로 채워진 틈이 존재하는 것이며, 이 틈은 반전지의 나머지 공간과는 분리되어 있지 않다. 상기 틈은 대체로 1 내지 3mm이다. 이 틈은 양극 공간이 음극 공간보다 더 높은 압력으로 유지되기 때문에 형성된다. 즉, 이온 교환 멤브레인은 기체 확산 전극상에 압착되고, 기체 확산 전극은 이어서 집전체에 압착된다. 전해질은 반전지 전체에서 하부로부터 상부로 자유롭게 유동한다. 전극 후방에 인접한 반전지의 공간은 이하 후방 공간으로도 지칭된다.
도 1에 도시된 실시태양에서, 전극은 이온 교환 멤브레인에 대해 실질적으로 직각인 수직으로 배열된 금속박편(10)들로 구성된다. 2개의 인접한 박편들 사이에는, 이온 교환 멤브레인 방향으로 기울어져 있으며 상승 기체를 전극의 전방, 즉 이온 교환 멤브레인 대향면으로부터 전기화학 반전지의 후방 공간으로 오리피스(14)를 통해 뒤로 이동시키는 배플판(12)이 각 박편들 사이마다 가이드 구조물로서 존재한다. 박편들은 전류 공급선(16)을 통해 접촉된다. 박편들의 깊이는 1 내지 40mm의 범위이고, 2개의 인접한 박편들 사이의 거리는 1 내지 10mm의 범위이다.
도 1에 도시된 실시태양과 이론적으로 유사한 또다른 바람직한 실시태양(본원에서 도시되지 않음)에서는, 수직으로 배열된 박편들은 이온 교환 멤브레인에 대해 50 내지 90°의 각도로 위치한다.
도 2에 도시된 실시태양에서, 전극(20) 및 배플판의 구조는 실질적으로 도 1에 도시된 실시태양에 상응한다(따라서, 동일하거나 상이한 구성요소들은 동일한 참조번호로 표기된다). 실질적인 차이는 이온 교환 멤브레인으로부터 떨어져 대향하는 박편(20) 가장자리들이 금속 시이트(28)에 결합되어 기체를 이동시키기 위한 오리피스(24)가 배플판(22) 아래에 존재한다는 점이다. 따라서, 박편들의 후면에 설치된 금속 시이트(28)는 이온 교환 멤브레인에 대해 실질적으로 평행하다.
도 3에 도시된 실시태양에서, 금속 전극(30)은 주름진 횡단면에 기초한다. 오리피스(34)는 이온 교환 멤브레인으로부터 떨어져 대향하는 웨이브의 정점 영역에 존재한다. 가이드 구조물(32)은 실질적으로 반-웨이브의 형상을 갖는 금속 시이트들로 구성되며, 오리피스(34)의 위쪽에서 이온 교환 멤브레인 방향으로 기울어지게 설치된다. 이러한 전극 구조는 간단한 방식으로, 예를 들어 전극(30)의 후방쪽 웨이브 정점 영역에서 실질적으로 삼각형의 오리피스(34)를 펀칭(punching)함으로써 제조될 수 있다. 삼각형의 오리피스는 완전히 잘려져 나가지는 않으며, 펀칭된 부분이 가이드 구조물(32)로서 이온 교환 멤브레인 방향으로 구부러져 10 내지 60°의 경사각으로 배열될 수 있도록 펀칭된 부분은 각각 삼각형의 위쪽 꼭지점 영역에서 전극에 연결된 채로 남아있다. 가이드 구조물(32)은 임의적으로 그들의 측면 가장자리를 전극(30)에 용접할 수 있다. 그러나, 바람직하게는 오리피스(34)를 전극(30)의 후방에서부터 웨이브의 정점 형상에 상응하는 형상으로 펀칭하는데, 그 이유는 이러한 방식에서는 전극(30)의 전방쪽으로 반대 전극 방향으로 기울어지게 구부러진 가이드 구조물(32)이 전극에서 끝나기 때문이다. 따라서, 가이드 구조물(32)과 전극(30)을 추가로 연결시키지 않아도 된다. 이러한 제조 방법에서, 펀칭된 오리피스(34)의 면적은 실질적으로 가이드 구조물(32)의 면적을 결정한다. 가이드 구조물로서 기능하는 전극의 펀칭된 금속 부분들은 또한 이들이 전극과 이온 교환 멤브레인 사이의 공간으로 더욱 적은 정도로 돌출되도록 그 크기를 줄일 수 있다. 바람직하게는, 오리피스(34)의 크기는 가이드 구조물(32)의 면적이 웨이브 정점의 면적과 정확하게 일치하도록 선택된다. 본원에서 웨이브 정점으로부터 웨이브 골까지의 거리, 즉 웨이브 진폭의 2배를 의미하는 것으로 이해되는 전극의 깊이는 2 내지 40mm이다. 파장에 상응하는 2개의 인접한 웨이브 정점들 또는 웨이브 골들 사이의 거리는 3 내지 30mm이다. 본 실시태양에서, 기체는 실질적으로 화살표(39)로 표시된 방향으로 유동한다.
또다른 실시태양(본원에서 도시되지는 않음)은 이론적으로 도 3에 도시한 전극 구조와 유사하나, 전극이 Z자형 횡단면에 기초하는 전극 구조이다. 전술한 제조 방법과 유사하게, 이러한 전극 구조는 이온 교환 멤브레인으로부터 떨어져 대향하는 꼭지점 영역에서 후방에서부터 삼각형의 오리피스를 펀칭함으로써 제조될 수 있다.
도 4에 도시된 실시태양은 도 3에 도시된 실시태양과 단지 전극 구조(40)가 기초로 하는 횡단면에서만 다르다. 도 4에서, 상기 횡단면은 직사각형 횡단면이고, 오리피스(44)(도 4a)는 이온 교환 멤브레인으로부터 떨어져 대향하는 종방향 측면상에 존재한다. 이들은 이온 교환 멤브레인에 실질적으로 평행하게 배열된다. 가이드 구조물(42)은 기체를 반전지의 후방 공간으로 이동시키는데, 이는 화살표(49)(도 4a)로 표시된 방향에 상응한다.
마찬가지로 직사각형 횡단면의 전극 구조(50)를 갖는 또다른 바람직한 실시태양(도 5)에서, 오리피스(54)는 후면쪽 종방향 측면이 아니라 횡방향 측면중 한면, 즉 이온 교환 멤브레인에 수직인 전극면들중 한면상에 배열된다. 따라서, 이 실시태양에서, 가이드 구조물(52)은 이온 교환 멤브레인 방향이 아니라 전극의 맞은편 횡방향 측면으로 기울어져 있다. 전극의 전방으로부터 후방으로 유동하는 기체의 유동 방향은 화살표(59)로 표시되어 있다.
기체를 반전지의 후방 공간으로 이동시키기 위한 가이드 구조물을 갖는 오리피스 및 넓은 전기화학적 활성 표면을 갖는 전극 구조는 또한 익스팬디드메탈에 의해서도 제공된다. 즉, 또다른 바람직한 실시태양은 서로 인접한 2개의 상이한 익스팬디드메탈로 구성되며, 이때 특히 바람직하게는 이온 교환 멤브레인에 대향하는 익스팬디드메탈이 이온 교환 멤브레인으로부터 떨어져 대향하는 익스팬디드메탈보다 더욱 촘촘한 구조를 갖는다. 더욱 촘촘한 구조의 익스팬디드메탈은 더욱 성긴 구조의 익스팬디드메탈보다 메쉬 폭, 메쉬 크기 및 웹 폭이 더 작고, 웹 두께가 더 얇은 것으로 특징지워진다. 또한, 더욱 촘촘한 구조의 익스팬디드메탈은 바람직하게는 평평하게 롤링되며, 더욱 성긴 구조의 익스팬디드메탈은 임의로 배열되는 것이 아니라 메쉬 웹이 가이드 구조물의 기능을 수행하도록 배열된다. 메쉬는 바람직하게는 마름모꼴 또는 정사각형이고, 이온 교환 멤브레인으로부터 떨어져 대향하는 더욱 성긴 익스팬디드메탈의 웹은 이온 교환 멤브레인 방향으로 기울어져 있다. 더욱 촘촘한 구조와 더욱 성긴 구조의 익스팬디드메탈 둘다에서 오리피스들의 총 면적은 익스팬디드메탈의 외부 치수, 즉 가장자리 길이들에 의해 주어지는 면적의 20 내지 70%의 범위이다. 하기 변수들을 사용하여 익스팬디드메탈의 특성을 나타낸다: 웹 두께는 익스팬디드메탈의 제조에 사용되는 금속 시이트의 두께에 상응한다. 웹 폭은 오프셋(offset)을 제외하고 서로 평행한 2개의 절단부들 사이의 거리로부터 산출된다. 메쉬 크기는 절단부의 길이로 특징지워지고, 메쉬 폭은 신장 변형의 결과 2개의 인접한 웹들 사이의 최대 거리로 특징지워진다.
놀랍게도, 본 발명의 이러한 바람직한 실시태양에서는 통상적인 전극 구조를 갖는 전기분해 전지에서보다 더욱 낮은 작동전압이 관찰되는 것으로 밝혀졌다. 이는 하기 실시예에 매우 명백히 나타나 있다.
염화수소 수용액(염산)을 산소-소모성 음극으로서 기체 확산 전극을 사용하여 전기분해하였다. 염산의 농도는 13 중량%이었고, 양극 반전지로 유입될 때의 염산의 온도는 방전시의 온도가 60℃가 되도록 조정하였다. 염산의 순환 체적유량은 양극 반전지내 염산의 유량이 0.3cm/초가 되도록 조정하였다. 양극의 재료는 루테늄-티탄 혼성 산화물 층(DSAR 코팅물)으로 활성화된 티탄-팔라듐 합금으로 구성되었다. 양극 공간과 음극 공간 사이에는 듀퐁의 양이온성 멤브레인인 나피온R 324 유형을 사용하였다. 음극으로는 탄소계이고 황화로듐으로 활성화된 이-테크(미국)의 기체 확산 전극을 사용하였다. 기체 확산 전극은 활성화 티탄-팔라듐 익스팬디드메탈로 구성된 집전체에 고정하였다. 전극의 폭은 730mm이었고, 높이는 1200mm이었다. 양극과 양이온 교환 멤브레인 사이의 최소 거리는 3.5mm이었다.
실시예 1
양극으로는 서로 인접한 2개의 티탄 익스팬디드메탈의 조합을 사용하였으며, 이때 더욱 촘촘한 구조의 익스팬디드메탈과 더욱 성긴 구조의 익스팬디드메탈이 조합되었다. 더욱 촘촘한 구조의 익스팬디드메탈은 4.2mm의 메쉬 크기, 3.1mm의 메쉬 폭, 0.6mm의 웹 폭 및 0.4mm의 웹 두께를 가졌다. 따라서, 오리피스의 총 면적은 익스팬디드메탈 면적의 53%이었다. 이 익스팬디드메탈을 0.5mm의 두께로 평평하게 롤링시켰다. 2개의 익스팬디드메탈중 더욱 성긴 구조의 익스팬디드메탈은 13.2mm의 메쉬 크기, 6.3mm의 메쉬 폭, 2.4mm의 웹 폭 및 3.5mm의 웹 두께를 가졌다. 따라서, 오리피스의 총 면적은 익스팬디드메탈 면적의 24%이었다. 양극은 평평하게 롤링된 더욱 촘촘한 구조의 익스팬디드메탈이 양이온 교환 멤브레인에 대향하도록 설치하였다.
전압은 5kA/㎡의 전류밀도에서 1.59V이었다.
실시예 2(비교예)
양극은 6.2mm의 메쉬 크기, 3.6mm의 메쉬 폭, 1.1mm의 웹 폭 및 1mm의 웹 두께를 갖는 1개의 성긴 구조의 익스팬디드메탈로 구성되었다. 오리피스의 총 면적은 양극 총 면적의 대략 24%이었다.
전압은 5kA/㎡의 전류밀도에서 1.67V이었고, 이 수치는 평평하게 롤링되고 음극에 대향된 더욱 촘촘한 구조의 익스팬디드메탈과 후방에 위치한 더욱 성긴 구조의 익스팬디드메탈의 특정 조합을 갖는 것을 제외하고는 유사한 조건하에서 염산 용액을 전기분해하는 상기 실시예 1에서보다 더욱 높은 수치였다.

Claims (5)

  1. 양극으로서 금속 전극(10; 20; 30; 40; 50)을 갖는 하나 이상의 양극 공간, 음극으로서 기체 확산 전극을 갖는 음극 공간, 및 상기 양극 공간과 음극 공간 사이에 배열된 이온 교환 멤브레인(membrane)을 포함하며, 이때 상기 금속 전극(10; 20; 30; 40; 50)이 전해질에 침지되어 있고 작동중 형성된 기체를 통과시키기 위한 오리피스(orifice, 14; 24; 34; 44; 54)를 가지며 기울어지고(지거나) 구부러져 있을 수 있고, 상기 오리피스(14; 24; 34; 44; 54)가 형성된 기체를 음극으로부터 떨어져 대향하는 금속 전극면으로 이동시키는 가이드(guide) 구조물(12; 22; 32; 42; 52)을 가짐을 특징으로 하는, 멤브레인 전기분해 방법용 전기화학 전지.
  2. 제1항에 있어서, 오리피스(14; 24; 34; 44; 54)의 총 횡단면적이 금속 전극의 높이와 폭에 의해 형성된 면적의 20% 내지 70%의 범위임을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 금속 전극이 주름진 횡단면, Z자형 횡단면 또는 직사각형 횡단면을 가짐을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  4. 제3항에 있어서, 금속 전극이 1mm 이상의 깊이를 가짐을 특징으로 하는 전기화학 전지.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 전극이 서로 인접한 2개의 익스팬디드메탈(expanded metal)에 기초하고, 음극에 대향하는 익스팬디드메탈이 음극으로부터 떨어져 대향하는 익스팬디드메탈보다 더욱 촘촘한 구조를 가지며, 더욱 촘촘한 구조의 익스팬디드메탈은 평평하게 롤링(rolling)되고, 더욱 성긴 구조의 익스팬디드메탈은 메쉬 웹(mesh web)이 음극 방향으로 기울어져 가이드 구조물로서 작용하도록 배열됨을 특징으로 하는 전기화학 전지.
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