KR20070038512A - 전해 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 예로서, 염소, 수소 및/또는 가성 소다의 제조를 위한 단일 요소의 구성 형태의 전해 셀에 관한 것으로, 이는 세미 쉘들의 플랜지 표면과 활성 멤브레인 표면 사이의 비율이 0.045 미만으로 설정될 수 있도록 최적화된 플랜지 유형의 도움으로, 비활성 멤브레인 표면의 부분이 최소화되는 방식으로 설계되어 있으며, 세미 쉘들과 멤브레인 중 어느 쪽도 클램핑 부재를 수용하기 위한 보어 또는 리세스를 구비하지 않는다.
단일 셀형 요소, 세미 쉘, 플랜지, 멤브레인, 클램핑 요소

Description

전해 셀{ELECTROLYSIS CELL}
본 발명은 소위 "단일 셀 요소"라 지칭되는 단일 요소의 구성 형태를 가지는 전해 셀에 관한 것으로, 상기 셀은 예로서, 염소, 수소 및/또는 가성 소다 용액 등의 제조를 위해 활용되며, 세미 쉘(semi-shell) 플랜지(flange) 표면과 활성 멤브레인 표면 사이의 비율이 0.045 미만으로 조절되고 멤브레인 및 세미 쉘들 중 어느 쪽도 클램핑 부재의 통로를 위한 보어 또는 리세스를 구비하지 않도록 최적화된 플랜지 구조의 도움으로 활성 멤브레인 표면의 부분이 최소화되는 방식으로 설계된다.
원소 염소, 수소 및/또는 가성 소다 용액의 제조를 위한 전해 셀은 잘 알려져 있으며, 그 기술 분야의 디자인은 충분히 설명되어 왔다. 종래의 기술 분야에서, 두 유형의 셀의 사용이 산업적 적용에 널리 이용되며, 하나는 필터 프레스 디자인이며, 나머지는 상기 전기적으로 직렬 접속된 "단일 셀 요소"이다.
DE 196 41 125, DE 197 40 637 또는 DE 196 41 125에 설명된 것과 같은 이들 전해 셀은 특히, 하나의 캐소딕(cathodic) 및 하나의 애노딕(anodic) 세미 쉘로 구성되며, 이는 각각 애노드와 캐소드를 수용하고, 각각은 서로 다른 표면 구조를 갖는다. 이온 교환 멤브레인이 전극들 사이에 배열되며, 세미 쉘 플랜지를 초과하여 멀리 연장한다. 상기 세미 쉘 플랜지는 이온 교환 멤브레인에 대한 손상을 피하기 위해 적절한 압력면을 보증하도록 충분히 크기설정되어 있다.
종래의 기술 상태에 따르면, 세미 쉘 플랜지들 및 그 사이에 배치된 멤브레인은 멤브레인을 안전하게 위치설정 및 고정하기 위한 보어 또는 개구를 구비하며, 하나의 볼트결합된 클램핑 부재가 각 보어 또는 개구를 위해 제공된다. 볼트결합에 의해 세미 쉘들에 작용하는 밀봉 압력은 세미 쉘 플랜지의 각 측부상에 배치된 와셔형 절연 요소를 경유하여 전달된다.
공지된 기술 상태에 따르면, 멤브레인상의 거의 균일한 밀봉 압력 및 셀의 밀봉성을 보증하기 위해 단일 셀의 플랜지 원주상에 다수의 이런 클램핑 부재가 배치된다.
종래 기술의 전해 장치의 주된 단점은 멤브레인이 플랜지에 의해 둘러싸여져 있거나, 심지어, 조립을 용이하게 하기 위해 플랜지를 초과하여 연장하고, 이 매우 비싼 재료는 단지 단일 셀의 조립 동안 상기 아이템을 배치하고, 동작 동안 기계적 안정성을 향상시키기 위해서만 활용되기 때문에, 이온 교환 멤브레인의 10% 이상이 비활성이며, 전해 프로세스에 참여하지 않는다는 것이다.
본 발명의 목적은 상술한 단점을 제거 또는 최소화하고, 멤브레인(membrane)의 표면적 활용의 최적화를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 볼트 결합의 통로를 위해 통상 필요한 보어(bore) 및 리세스(recess)를 생략하여 전체 전해 셀의 전체 플랜지(flange)를 보다 작게 함으로써 달성되며, 멤브레인과 중첩하는 세미 쉘 플랜지 표면적과 활성 멤브레인 표면적 사이의 비율은 0.09 미만, 또는, 바람직하게는 0.07 미만 또는 이상적인 실시예에서는 0.045 미만이다.
본 발명에 설명된 전해 셀의 이상적 실시예에 따라서, 멤브레인은 통상 클램핑(clamping) 부재가 통과하도록 또는 세미 쉘들 중 하나 또는 양자에 멤브레인을 배치하도록 기능하는 보어나 리세스 중 어느 쪽도 갖지 않는 방식으로 형성된다.
상기 장치는 또한 플랜지의 외부측에 적용되거나, 플랜지상으로 미끄러지는 클램핑 부재를 구비하며, 클램핑 부재는 단일 요소를 형성하도록 애노딕(anodic) 및 캐소딕(cathodic) 세미 쉘들을 클램핑 및 밀봉하도록 기능한다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 상기 클램핑 부재는 독립적으로 볼트결합된 요소이다. 이상적 변형은 세미 쉘들을 고정하기 위한 요소로서 클램프형 또는 볼트결합형 기브(gib)를 사용하는 것이며, 상기 요소는 미리 제조된 요소로서 시장에서 입수할 수 있다. 또한, 세미 쉘의 플랜지에 대해 가압되는 적어도 두 개의 평행하고 대향한 절연 요소를 구비하는 상기 요소의 형상이 이 목적에 적합하다.
또한, 본 발명에 설명된 전해 셀은 세미 쉘의 플랜지를 향한 측면상에 배열된 절연 요소의 단지 일부만이 상기 플랜지에 의해 직접적으로 지지될 수 있게 하는 장치를 포함하고, 표면적의 일부는 플랜지로부터 돌출한다. 지지되지 않은 절연 요소면 사이에 적어도 하나의 스페이서(spacer)가 배열되거나, 절연 요소 중 하나 또는 양자 모두가 스페이서 자체로 또는 다른 절연 부재와 연계하여, 플랜지 위의 영역에 위치된 간극을 채우는 방식으로 성형된다. 이 방식으로 성형된 절연체는 예로서, 플랜지를 향한 표면 영역에 돌출 또는 캔틸레버형(cantilevered) 부분을 구비한다.
본 발명의 양호한 실시예는 보다 두꺼운, 그리고, 보다 얇은 섹션을 갖는 스페이서를 제공하며, 조립시 보다 두꺼운 부분은 플랜지로부터 돌출하고, 보다 얇은 섹션은 세미 쉘의 플랜지 사이에서 멤브레인과 함께 클램핑된다. 상술한 변형 실시예는 그 돌출 섹션이 볼트 또는 클램프를 수용할 수 있는 보어 또는 개구를 갖는 스페이서를 제공한다. 이 경우, 플랜지로부터 돌출하는 스페이서 섹션의 두께는 조립 이후의, 즉, 동작을 위해 삽입된 구성요소의 두께가 포함된 플랜지의 두께에 실질적으로 대응한다.
따라서, 주된 장점은 활성 멤브레인 영역의 크기가 불변 상태로 남아있으면서, 비활성 멤브레인 표면적이 현저히 감소한다는 것이다.
증가된 활성 멤브레인의 비율에 추가하여, 다른 중요한 장점은 전체 멤브레인 표면적이 보다 작고, 멤브레인 포장이 용이하다는 사실이다. 조립 이전에 임의의 멤브레인 보어 또는 개구가 형성되는 것은 필수적이다. 보어형 멤브레인 유형은 이제는 제거된 단차부를 조립 이전에, 보어와 함께 구비한다. 이 단차부는 멤브레인의 기재 또는 코팅의 손상 또는 오염이 완전히 배제될 수 없기 때문에 항상 멤브레인에 대한 위협 요소가 된다.
또한, 플랜지 크기의 감소는 세미 쉘들이 세계의 시장에서 표준 크기로 구매될 수 있는 코일 같은 반제품으로부터 제조될 수 있게 하며, 이 절차는 이제까지 가능하지 않았다. 따라서, 세미 쉘들의 재료 비용에 관하여, 두 개의 실질적이고 긍정적인 효과, 즉, 단순화된 획득 및 감소된 크기가 실현될 수 있다.
현 기술 상태의 전형적인 “단일 셀 요소"를 예시하는 하나의 도면과, 본 발명, 추가 실시예 또는 실행가능한 변형에 따른 전해 장치를 도시하는 두 개의 도면이 포함되어 있다.
도 1은 현 기술 상태에 따른 전해 셀 세그먼트의 단면도.
도 2는 클램핑 장치가 없는 본 발명의 전해 셀을 도시한 도면.
도 3은 2개의 별개의 부재를 구성하는 본 발명의 전해 셀을 도시한 도면.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 애노드측 외부 세미 쉘 2 : 캐소드측 외부 세미 쉘
3 : 애노드 4: 캐소드
5 : 멤브레인 6 : 스페이서
6.1 : 프레임 6.2 : 보어
6.3 : 클램핑 영역 7 : 인터널
8 : 세미 쉘 플랜지 9 : 세미 쉘의 상승된 상부 부분
10 : 클램핑 요소 10.1 : 볼트
10.2 : 스프링 와셔 10.3 : 절연 요소
10.4 : 절연 호스 10.5 : 스페이서
11 : 밀봉 코드
도 1의 단면도는 현 기술 상태에 따른 전해 셀 세그먼트(electrolysis cell segment)를 도시한다. 상기 도면은 애노딕 세미 쉘(1) 및 대향한 캐소딕 세미 쉘(2), 애노드(3) 및 캐소드(4)를 명백히 예시하고 있다. 세미 쉘들(1, 2)은 두 개의 섹션, 즉, 벽(9) 및 원주방향 플랜지(8)를 나타낸다. 플랜지(8)는 클램핑 요소(10)를 고정하기 위한 구멍을 가지며, 이를 통해 볼트(10.1)가 삽입된다. 상기 클램핑 요소는 또한 일정한 밀봉 압력을 유지하기 위한 스프링 와셔(10.2) 및 멤브레인의 다른 팽창 조건으로 인한 재료 특성의 변동을 보상하기 위해 필요한 세부구성요소를 둘러싼다. 두 개의 환형 절연 요소(10.3)가 플랜지(8)의 금속성 표면과 직접 접촉하며, 그래서, 세미 쉘들과 함께, 상기 요소는 힘을 전달하도록 기능한다. 또한, 플랜지 목부의 영역에 배치된 볼트(10.1)는 절연 호스(10.4)내로 삽입된다. 멤브레인(5)은 애노드(3)와 캐소드(4) 사이에 배열되어 있다.
도면은 멤브레인(5)이 클램핑 요소를 위한 보어를 수용하는 섹션을 초과하여 연장하도록 크기설정되어 있는 것을 예시하고 있다. 플랜지와 유사한 방식으로, 멤브레인도 그 섹션에 개구를 구비한다. 플랜지(8)는 평탄한 스페이서 및 절연 요소(6)를 구비하며, 이는 프레임을 구성하며, 마찬가지로, 플랜지(8)의 보어와 상관되는 보어를 구비한다. 플랜지(8)의 영역에서 세미 쉘들 사이에 배열된 두 개의 원주방향 밀봉 코드(11)는 세미 쉘들의 밀봉성을 보증한다. 도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 인터널(7)은 셀의 상부 부분에서 조용한 흐름을 보증하도록 기능한다.
도 2는 클램핑 장치가 없는 본 발명의 전해 셀을 도시한다. 플랜지(8)는 구멍도 보어도 구비하지 않으며, 현저히 보다 작게 크기설정되어 있다. 도시된 스페 이서 변형체(6)는 플랜지(8)로부터 돌출하며, 플랜지 프레임(6.1)을 초과하여 연장하는 그 상부 부분은 보어(6.2)를 구비하고, 이 보어내로 하나의 클램핑 요소의 볼트(10.1)가 삽입된다. 스페이서(6)의 내부 부분, 즉, 클램핑 영역(6.3)은 세미 쉘들(1, 2)의 플랜지 부분 사이에 배치된다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이 볼트(10.1)를 보호하는 절연 호스(10.4)는 생략될 수 있으며, 그 이유는 볼트가 플랜지와 접촉할 수 없기 때문이다.
도 3은 클램핑 및 밀봉 부재(10)가 부착되어 있고, 스페이서(6)의 클램핑 영역(6.3) 및 프레임(6.1)이 서로 견고히 링크되어 있지 않은 두개의 별개의 부재를 구성하는 본 발명의 전해 셀을 도시한다.
변형으로서, 절연 요소 중 하나 또는 양자 모두를 그들이 돌출하는 캔틸레버형 부분을 가지고, 상부 부분내의 돌출부가 스페이서 자체를 형성하는 방식으로 성형하는 것이 가능하다. 그러나, 이 변형은 도면에 도시되어 있지 않다.
본 발명에 따른 장치가 활성 멤브레인 표면의 부분을 증가시키는 보다 작은 멤브레인 표면 영역을 가능하게 할 뿐만 아니라, 보어의 생략의 도움으로, 클램핑 장치 및 그 정합(matching) 요소의 설계의 특정 자유도를 가능하게 한다는 것을 명백히 알 수 있다.
본 발명에서 설명된 바와 같은 두 개의 전해 셀이 5,000 동작 시간의 기간 동안 실제 제조 조건하에서 테스트 벤치내에서 테스트되었다. 두 개의 산업적 전해 셀은 각각 2.72m2 의 활성 멤브레인 표면적과 15.5mm의 플랜지 폭을 가지고, 따 라서, 상기 표면적은 현 기술 상태 전해 셀의 것 보다 60% 작다. 전체 테스트 기간 동안 인가된 셀 전압은 약 6kA/m2 의 전류 밀도와 약 90℃의 셀 온도에서 약 3.2V 였다. 피드(feed)는 300g/l 염화나트륨(NaCl) 용액이었다.
가성 소다 용액은 32%의 평균 배출 농도를 가지며, 염화나트륨 잔류 농도는 20ppm 미만이다. 또한, 가스 염소(Cl2) 및 수소(H2)가 생성되었으며, 평균 에너지 소비는 수산화나트륨(NaOH) 톤 당 약 2,200kWh였다.
전체 테스트 기간 동안, 본 발명에 따른 단일 셀에 의해 높은 변환율, 제품 품질 등을 얻는 것이 가능하였다. 즉, 안전성, 밀봉성 또는 정비성에 관한 어떠한 단점도 없이, 보다 크고 고가의 현 기술 상태의 단일 셀의 것들과 대등한 양상을 나타내었다.
본 발명에 개시된 디자인 특징은 종래 기술에서 얻어지는 11%로부터 4.2% 미만으로 비활성 멤브레인 표면적의 부분을 감소시키는 것을 가능하게 하였다.
멤브레인이 변동 및 팽창 또는 수축에 의해 생성되는 기계적 응력을 받기 때문에, 일련의 테스트의 목적은 거동 및 열화와, 단일 셀 밀봉성을 관찰하는 것이었다.
멤브레인의 견고한 위치 설정 및 셀 밀봉성에 관하여 어떠한 예외도 검출되지 않았다. 전체 테스트 기간 동안, 어떠한 동작 문제나 누설도 발견되지 않았으며, 교란을 피하기 위한 어떠한 멤브레인 및 기타 구성 요소의 조절 또는 보정도 필요하지 않았다.
셀 정비가 용이하며, 프로세스에 이미 노출된 멤브레인의 재사용 가능성이 현저히 개선된다는 것을 발견하였다. 이는 단일 셀 개방시, 멤브레인 수축 프로세스가 개시된다는 사실, 즉, 이전에 종종 보어 부근의 열화된 섹션에서 멤브레인 재료의 파열이 유발되던 현상 및 이에 따라 멤브레인의 재사용이 불가능하다는 사실에 기인한다. 본 발명에 따른 전해 셀이 개방 이전에 수평 위치에 배치될 때, 멤브레인은 세미 쉘들이 제거되고나면 자유로와지고(고정되지 않음) 그래서, 후속하는 균일한 수축이 멤브레인의 변형 또는 손상을 유발하지 않는다.
또한, 단일 셀의 조립에 필요한 시간이 단축될 수 있다는 것이 관찰되었으며, 그 이유는 이제, 보어와의 어떠한 정합도 필요하지 않으며, 단지 멤브레인 단부가 플랜지의 에지와 대략 일치되기만 하면 된다는 사실의 견지에서 멤브레인 조절이 용이하기 때문이다. 이 정렬은 에지와의 평행 상태로부터의 임의의 이탈이 무시될 수 있기 때문에, 현저히 보다 낮은 중요성을 갖는다.

Claims (10)

  1. 두 개의 세미 쉘들에 의해 형성되는 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소로서,
    상기 세미 쉘들 각각은 후방벽과 외주 플랜지를 구비하고, 상기 외주 플랜지 위에는 절연 요소가 배열되며 상기 플랜지 영역에 설치된 클램핑 요소에 의해 클램핑되고,
    상기 단일 셀형 요소는 그 사이에 멤브레인이 배치되어 있는 두 개의 전극을 포함하고,
    상기 세미 쉘들은 클램핑 요소의 볼트결합을 수용하기 위한 보어 또는 리세스를 구비하지 않고, 상기 멤브레인과 중첩하는 상기 플랜지 표면과 활성 멤브레인 표면 사이의 비율은 0.09 미만인 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 플랜지 표면과 상기 활성 멤브레인 표면 사이의 상기 비율은 0.045 미만인 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 멤브레인은 상기 세미 쉘들내에서의 그 위치설정을 위한 또는 상기 클램핑 요소의 볼트결합을 수용하기 위한 보어 또는 개구를 구비하지 않는 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클램핑 요소는 상기 플 랜지상으로 미끄러지거나 그에 적용되는 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 클램핑 요소는 볼트결합된 단일 요소, 클램프형 또는 볼트형 기브 또는 임의의 다른 유형이나 형상으로서 설계되고,
    상기 요소는 상기 세미 쉘들의 플랜지에 대하여 가압되는 적어도 두 개의 평행하고 대향한 절연 요소를 구비하는 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플랜지의 표면에 대면하는 측부상에 배열된 상기 절연 요소의 단지 일부만이 상기 플랜지에 의해 직접 지지되고,
    지지되지 않은 상기 절연 요소면들 사이에 적어도 하나의 스페이서가 설치되거나, 절연체 중 하나 또는 양자 모두가 돌출하는 또는 캔틸레버형 섹션을 구비하여 상기 플랜지를 초과하여 위치된 간극이 적어도 부분적으로 채워지게 하는 방식으로 성형되는 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스페이서는 보다 두꺼운 그리고 보다 얇은 섹션을 가지며, 상기 보다 두꺼운 섹션은 상기 플랜지로부터 돌출하고, 상기 보다 얇은 섹션은 상기 멤브레인과 함께 상기 두 개의 세미 쉘들의 플랜지들 사이에서 클램핑되는 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 플랜지로부터 돌출하는 상기 스페이서 섹션은 보어 또는 개구를 구비하는 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소.
  9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플랜지로부터 돌출하는 상기 스페이서 또는 상기 절연 요소의 상기 돌출 또는 캔틸레버형 재료 섹션의 두께는 삽입된 요소의 두께를 내포하는 조립된 상태의 상기 플랜지의 두께에 대략 일치하는 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소.
  10. 실질적으로 도면을 참조로 본원에 설명된 바와 같은 전해 장치를 위한 단일 셀형 요소.
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