KR20070086338A - 단일벽을 포함한 전해조용 양극판 - Google Patents

Abstract

양극판은 접기가공에 의해 만들어진 주변밀봉프레임과 단일벽으로 구성되고, 주변밀봉프레임에는 프레임을 벽에 접합하기 위한 평평한 접촉면을 제공되어 있다. 또한 벽은 한 면에 몰딩에 의해 양호하게 만들어진 돌출부를 구비하고, 다른 면에 돌출부의 오목한 부분에 의해 형성된 리세스에 수용된 시트 스트립으로 구성되는 지지부를 구비한다. 돌출부는 실질적으로 양극판의 전체 길이를 따라 연장한다. 돌출부와 지지부는 전극 또는 전류분배기에 연결된다. 돌출부, 지지부, 단일벽 및 주변프레임은 동일한 금속 또는 합금으로 제조된다. 돌출부에 의해 지탱된 전극 또는 전류분배기와, 동일한 돌출부와 지지부는 아크용접 또는 양호하게는 레이저용접의 1회 패스(single pass)에 의하여 함께 용접된다. 지지부에 연결된 전극 또는 전류분배기와, 지지부 자체는 아크용접 또는 양호하게는 레이저용접의 연속적 패스에 의하여 서로 용접된다. 프레임의 접촉면에서의 벽과 프레임간의 용접은 다이오드-레이저 기술에 의해 실시되어 시트를 완전히 용해시키지 않고 튼튼한 연결이 달성될 수 있으며, 따라서 프로세스 유체가 외부 환경으로 누설될 위험을 회피하게 된다.

전해조, 양극판, 전극, 전류분배기, 용접, 연료전지.

Description

단일벽을 포함한 전해조용 양극판{Bipolar plate for electrolyser comprising a single wall}

본 발명은 단일벽을 포함한 전해조용 양극판에 관한 것이다.

전기화학 기술은 산업상 관련된 몇 개의 공정, 즉 융해염으로부터 알루미늄을 생산하는 공정, 광석의 여과에 의해 얻어진 수용액으로부터 구리, 아연, 니켈, 코발트 및 납을 생산하는 공정, 염화나트륨 용액으로부터 염소 및 가성소다(caustic soda)를 생산하는 공정, 염산 용액으로부터 염소 및 선택적으로 수소를 생산하는 공정, 및 알칼리성 또는 산성 용액으로부터 수소 및 산소를 생산하는 공정에 기초하고 있다.

특히, 염소-가성소다 전기분해의 경우:

[화학식 1]

전해조(electrolyser)로서 알려진 공업용 반응기는, 박막(membrane) 전기분해 중에서 기술적으로 가장 향상된 버전으로서, 단위전지(elementary cell)의 조립체로서 구성되어 있는데, 단위전지 각각은 밀봉 개스킷(gasket)을 장착한 주변프레 임을 갖춘 2개의 전지와, 하나의 박막, 적절한 지지부에 고정된 양극 및 음극으로서 알려진 2개의 전극, 및 반응물 함유 용액을 공급하며 생성물 및 소모 용액을 배출하기 위한 다수의 노즐에 의하여 형성된다. 박막은 단위전지의 내부 용적을 2개의 격실, 즉 양극성 격실과 음극성 격실로 분할하는데, 양극성 격실은 관련된 지지부에 고정된 2개의 제1전극(양극) 또는 전류분배기(양극성)를 포함하고, 음극성 격실은 역시 관련된 지지부에 고정된 2개의 제1전극(음극) 또는 전류분배기(음극성)를 포함한다. 2개의 격실내에 서로 다른 것으로서 존재하는 용액들, 반응물들 및 생성물들이 실질적으로 다른 화학적 공격성(aggressiveness)의 특성을 가지기 때문에, 두 전지의 건축 재료는 동일하지 않을 수 있으며: 특히 양극성 전지는 티타늄 시트(sheet)로 제조되고, 음극성 전지는 니켈 시트로 제조된다.

전해조를 구성하기 위해 단일전지들이 전기적 직렬로 조립될 때, 한 전지의 티타늄 양극성 벽이 그 다음 전지의 니켈 음극성 벽과 접촉하게 된다.

아래에서 설명하게 될 본 발명의 내용을 정확히 이해하기 위해서, 구조적 관점에서 각각의 단위전지가 예를 들어 DE 19816334호에 개시된 바와 같이 한 쌍의 외피(shell) 즉 음극성 및 양극성 외피로서 구성되는 독립된 유닛("단일전지"로서 당업계의 전문가에게 알려진 구조적 개념)으로서 실행될 수 있다는 것을 생각할 필요가 있다.

대안 실시예에 따라, 단위전지는 독립된 유닛으로서 존재하지 않지만, 대신에 전해조가 예를 들어 US 제4,767,519호의 도 3에 도시된 바와 같이 조립될 때 적절한 엘리먼트들을 결합함으로써 만들어진다. 염소-가성소다 전기분해의 경우에, 각각의 양극판은 해당하는 벽에 예로서 용접에 의해 결합된 티타늄의 양극성 외피와, 니켈의 음극성 외피를 포함한다. 유사한 종류의 전해조를 조립하는 동안에 박막과 주변 개스킷이 삽입되어 있는 양극판들은 서로에 대해 압축된다. 이 경우에 티타늄 양극성 외피와 다음 양극판의 니켈 음극성 외피를 결합시키면 단위전지를 형성한다.

알칼리수 전기분해의 경우:

[화학식 2]

2개의 격실, 즉 양극성 격실 및 음극성 격실 양쪽은 양극성 격실내에 산소가 존재하고 음극성 격실내에 수소가 존재함으로 인하여 공격성이 민감하게 영향을 받지 않는 수산화칼륨 용액을 포함한다. 따라서, 각각의 단위전지를 한정하는 2개의 외피는 보통 동일한 재료 특히 니켈로 제조되며, 이 니켈은 알칼리성 용액에 대해 가장 좋은 화학적 내성을 갖는 유명한 금속이다. 이러한 형태가 "단일전지" 디자인이 채용되는 경우에는 전혀 영향을 끼치지 않으며, 반면에 실질적으로 양극판의 구조적 원가 절감을 초래하며: 이 경우 실제로 양극판은 염소-가성소다 전기분해의 경우에 나타난 바와 같이, 더 이상 상호 용접된 2개의 외피로 구성되어 있지 않고, 오히려 전해조로 일단 조립되면 한 측면에서 하나의 전지의 양극성 격실을 한정하는 양극성 벽으로서 작용하고 또 다른 측면에서 차후의 전지의 음극성 격실을 한정하는 음극성 벽으로서 작용하는 단일 니켈 시트(이하 '단일벽' 이라고 함)로서 구 성된다.

전체적으로 동등한 상황은 막 이용 수전해법(membrane water electrolysis)의 경우에 발생하는데, 여기서 양극성 및 음극성 용액은 각각 양극성 격실에서 물과 산소로서 구성되고 음극성 격실에서 물과 수소로서 구성되며, 또는 대안적으로 특별한 공정에서는, 양극성 격실에서 물과 산소로 구성되고 음극성 격실에서 습기가 많은 수소로서 구성된다. 양쪽의 경우에, 양극성 조건과 음극성 조건 양쪽에 적합한 건축 재료는 스테인레스강이 될 수 있으며, 또는 더 좋은 화학적 타성(inertia)을 고려하여 티타늄이 양호하다.

또한 양극성 유체 및 음극성 유체에 호환할 수 있는 건축 재료가 동일한 상황에서는 염화수소산 전기분해에서 2가지 변형으로 주어지는데, 종래의 변형은 염소와 수소로 전개되거나:

[화학식 3]

또는, 산소 음극이 소멸되는 변형이다:

[화학식 4]

양쪽의 경우에 티타늄과 양호하게는 몇 개의 티타늄 합금이 양극성 격실(염소 함유 염화수소산 용액)과 음극성 격실(약산성의 물을 소량으로 갖는 수소 또는 산소)에 대한 공정 조건에 호환할 수 있는 것으로 판명되었다. 따라서 이 경우에도 역시 양극판은, 전해조 작동 중에 한 측면에서 양극성 벽으로서 작용하고 다른 측면에서 음극성 벽으로서 작용하는 단일 시트를 포함할 수 있다(예로서 US 제5,770,035호 참조).

단일벽 양극판 디자인의 채용에 대한 제한사항은, 적절한 개스킷과 협동하며 두 격실을 밀봉하여 프로세스 유체의 누설을 방지하는 주변플랜지(perimetrical flange)를 구비해야 하는 음극성 격실 및 양극성 격실의 필요성으로부터 발생한다. 공지된 구조적 과정에 따라 주변플랜지는 격실 벽을 구성하는 시트의 몰딩(moulding) 또는 접기가공(folding)에 의해 달성되며: 염소-가성소다 전기분해의 경우에서와 같이 양극성 격실 및 음극성 격실을 한정하도록 각각 정해진 한 쌍의 외피를 포함하는 양극판의 경우, 각각의 벽은 그 자신의 플랜지만을 형성하도록 가공되고, 이러한 작업은 대체로 기계적 결함의 결핍과 평탄도(planarity)의 관점에서 만족스러운 결과를 부여한다. 반대로 단일벽을 포함하는 양극판의 경우에, 음극성 플랜지 및 양극성 플랜지 양쪽이 반드시 동일한 벽의 일부분이기 때문에, 공지된 과정과 협동하여 이중 형성가공(double forming)을 진행할 필요가 있다. 이중 형성가공은 몰딩 또는 접기가공에 의해 성취된다는 사실과는 별개로, 재료에 높은 기계적 응력을 초래하며 동시에 현저한 비틀림 및/또는 균열과 같은 빈번한 기계적 결함을 동반한다.

이 문제는 EP 1366212호에서 다루고 있는데, 이 공보에는 단일벽을 포함한 양극판에서 사용하기에 적합한 주변프레임의 여러 방식이 기재되어 있다. 특히, 사각형 프로필을 갖춘 봉재 또는 튜브로서 구성되는 프레임의 사용을 제안하고 있는 데, 상기 봉재 또는 튜브의 정면에는 프로세스 유체를 외부 환경으로 방출시킬 수 있는 결함이 없도록 하기 위해서 양극성 엘리먼트의 단일벽이 선택적으로 2번의 연속적 패스(pass)로 용접되어 있다. 다른 실시예에서, 단일벽은 단일 플랜지 예로서 양극성 플랜지를 형성하도록 몰딩 또는 접기가공에 의해 가공되고, 한편 제2플랜지, 예로서 음극성 플랜지는 단일벽의 재료와 동일한 재료의 적절한 스트립(strip)을 몰딩 또는 접기가공함으로써 사전조립되며(preassembled): 다음에 사전조립된 음극성 플랜지는 이미 양극성 플랜지를 구비하고 있는 단일벽에 용접에 의해 고정된다. 또한 EP 1366212호에서 제안된 다른 대안적인 제조방법은, 양극성 및 음극성 플랜지 양쪽이 적절한 스트립을 몰딩 또는 접기가공에 의해 달성된 U형 프로필 프레임의 형태로 사전조립되는 것과, 완전히 평평한 단일벽이 프레임 중간에 예로서 용접에 의해 고정되는 것을 제공하고 있다. 양쪽 제조방법의 문제는, 현저하게 직선형으로 전개되는 용접부가 프로세스 유체를 외부 환경으로 넘치게 하는 크기의 결함을 제공하지 않아야 한다는 필요에 의해 주어진다. 이것은 이 제조과정이 과도한 품질관리를 요구하고 더구나 검출된 결함을 제거하기 위해 조작자가 빈번하게 간섭하도록 만든다. 대체로 제조비가 너무 비싸고 제작이 시장의 요구조건에 적합하지 않다.

상술한 제조비는 관련된 지지부의 제조 및 필요한 용접부의 실행을 포함하여, 양극 및 음극의 부착 과정에 의해 더 영향을 받는다.

후자의 원가 절감은 WO 03/038154호에서 고려되었는데, 이 공보는 양쪽 면에 예를 들어 프리즘 형상의 돌출부를 몰딩함으로써 단일벽으로부터 직접 양극 및 음 극을 위한 지지부를 달성할 것을 제안하고 있다. 양극 및 음극은 예를 들어 용접에 의해 돌출부의 상단에 연속으로 고정되며: 상술한 과정은 절약이 가능한데, 왜냐하면, 지지부 재료가 단일벽으로 주어지고 그리고 용접부를 지지하기 위한 벽이 없어서 돌출부의 상단에 양극 및 음극을 고정하는 필요한 용접부가 감소되었기 때문이고, 상기 용접부들은 지지부가 개별적으로 사전조립될 때 종래 제작시에는 습관적으로 필요로 한 것이다. WO 03/038154호의 제조과정을 유리하게 사용하지 못하게 하는 단점은, 공업용 전해조를 형성하기 위해 여러 번 조립되어야 하는 양극판에서 전체적으로 허용할 수 없는 평탄도의 결과로서, 양쪽 면에 돌출부를 몰딩하는 동안 단일벽의 시트에 의해 경험한 현저한 변형에 의하여 나타난다.

종래 기술의 살펴본 결과, 양극성 및 음극성 플랜지 뿐만 아니라 관련된 지지부를 갖는 전극 또는 전류분배기를 갖춘 단일벽을 포함하고 그리고 공업적 관점에서 적절한 평탄도 및 허용되는 생산비용의 특성을 갖는 양극판의 제조는 분명히 산업상 관련된 문제를 나타내고 지금까지 존속할 수 있는 해결책이 없다고 말할 수 있다.

본 발명은 양극성 및 음극성 플랜지와, 관련된 지지부를 갖는 양극 및 음극을 구비한 단일벽을 포함하는 양극판 디자인을 제안할 뿐만 아니라, 접기가공 및/또는 몰딩 과정과 용접 모두를 단순화하고 그리고 완성된 양극판의 평탄도에 관하여 고품질의 표준을 특징으로 하고 프로세스 유체를 외부 환경으로 흘러넘치게 하는 결함이 없는 특성을 갖는 양극판 제조방법을 제안하여 상술한 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

제1의 견지에서, 본 발명은 양극성 및 음극성 플랜지를 갖춘 단일벽을 포함하는 양극판으로 구성되고, 여기서 상기 플랜지들은 프레임과 단일벽 사이에 주변 부착용 용접부를 용이하게 실행하기 위해 단일벽을 위한 적절한 접촉면(abutment surface)을 갖춘 사전조립된 프레임에 의해 형성된다.

본 발명의 하나의 실시예에서, 사전조립된 프레임은 U-프로필을 가지고, 단일벽과 동일한 재료의 적절한 스트립을 몰딩 또는 접기가공함으로써 달성된다.

대안적인 실시예에서, 사전조립된 프레임은 사각형 섹션(section)을 가지며, 단일벽과 동일한 재료의 인출부재(draw piece)를 드래프트(draft)함으로써 달성된다.

하나의 양호한 실시예에서, 주변 용접은 다이오드-레이저 기술을 사용하여 수행된다.

하나의 양호한 실시예에서, 양극판 단일벽의 두 면중 한 면에만 몰딩에 의해 달성된 정점(apex)을 갖춘 종방향 돌출부들이 제공되고, 여기서 상기 돌출부들은 단일벽 자신의 한 측면과 평행하게 정렬되어 있다.

하나의 양호한 실시예에서, 양극판은 돌출부의 정점에, 그리고 돌출부가 없는 단일벽의 면에 배치된 스트립형 지지부(strip-shaped support)에 각각 고정된 제1전극 또는 전류분배기와 제2전극 또는 전류분배기를 포함하고; 상기 스트립형 지지부는 선택적으로 정점의 안둘레(intrados)에 일치하여 발부분(foot)을 갖는 돌출부의 리세스에 배치된다.

본 발명의 하나의 양호한 실시예에서 제1전극 또는 전류분배기, 돌출부의 정점, 및 스트립형 지지부의 발부분은 제1단일 부착용 용접시리즈(single series of fixing welds)에 의하여 연결된다.

본 발명의 하나의 양호한 실시예에서 제2전극 또는 전류분배기는 스트립형 지지부의 자유 종단면(free terminal surface)에 제2단일 부착용 용접시리즈에 의하여 연결된다.

다른 실시예에서, 돌출부의 정점은 크기가 감소된 평평한 표면을 특징으로 한다.

다른 견지에서, 본 발명은 격리판(separator), 선택적으로 이온교환막 또는 다공성 격막(diaphragm)에 의해 분리된 2개의 격실을 포함하는 전해조 또는 연료전지 스택(stack)에 관한 것으로서, 각각의 전지는 단일벽과, 상기 단일벽에 용접하기 위한 평평한 접촉면을 갖춘 사전조립된 프레임을 구비한 주변플랜지를 포함하는 양극판에 의해 한정된다.

최종 견지에서, 본 발명은 단일벽과, 상기 단일벽에 용접하기 위한 평평한 접촉면을 갖춘 사전조립된 프레임을 구비한 주변플랜지를 포함하는, 전해조 또는 연료전지를 위한 양극판의 제조방법에 관한 것이다. 하나의 양호한 실시예에서, 이 제조방법은 U 형 프로필 및 평평한 접촉면을 갖춘 프레임을 형성하도록 시트 스트립을 접기가공 또는 몰딩하거나 또는 대안으로 폐쇄된 사각형 프로필 및 평평한 접촉면을 갖춘 프레임을 형성하도록 사각형 엘리먼트를 압출하는 단계; 스트립형 지지부를 사전조립하는 단계; 단일벽의 한 측면에만 돌출부를 몰딩하는 단계; 상기 프레임의 평평한 접촉면에 단일벽의 주변모서리를 위치결정하여 다이오드-레이저 기술에 의해 용접하는 단계; 상기 단일벽에 이상성 유체의 순환을 향상시키기 위한 디바이스를 선택적으로 위치결정하고 전기저항 용접 또는 전기아크 용접 또는 레이저 용접에 의해 부착하는 단계; 용접된 프레임-단일벽 엘리먼트의 돌출부의 리세스에 상기 사전조립된 지지부를 수용하고, 상기 제1전극 또는 전류분배기를 상기 돌출부의 정점에 접촉하도록 위치결정하고, 전기아크 용접 또는 레이저 용접 기술에 의하여 제1단일 용접시리즈를 실행하는 단계; 제2전극 또는 전류분배기를 상기 지지부의 자유 종단면과 접촉하도록 위치결정하고, 전기저항 용접 또는 전기아크 용접 또는 레이저 용접에 의해 제2단일 용접시리즈를 실행하는 단계를 포함한다.

도 1은 종래 기술의 하나의 실시예에 의한 단일벽 양극판의 횡단면의 일부를 도시하며, 여기서 2개의 주변플랜지가 단일벽의 접기가공 또는 몰딩에 의하여 그리고 적절한 스트립의 접기가공 또는 몰딩에 의해 사전조립된 엘리먼트의 용접에 의하여 각각 달성된다.

도 2A는 본 발명의 단일벽 양극판의 제1실시예에 대한 횡단면의 일부를 도시하고, 여기서 2개의 플랜지는 U형 프로필의 주변프레임의 형태로 사전조립된 단일 엘리먼트로서 구성되고, 적절한 스트립의 접기가공 또는 몰딩에 의해 형성된 프레임은 단일벽에 용이하게 용접되도록 접촉면을 포함한다.

도 2B는 도 2A의 엘리먼트의 용접으로부터 만들어진 주변프레임-단일벽 조립체의 부분을 도시한다.

도 2C는 본 발명의 다른 실시예에 의한 단일벽 양극판에 대한 횡단면의 일부를 도시하고, 여기서 2개의 플랜지는 사각형 프로필을 갖춘 폐쇄된 주변프레임의 형태로 사전조립된 단일 엘리먼트로서 구성되고, 폐쇄된 프레임은 단일벽에 용접하기 위한 접촉면을 제공한다.

도 3A는 한 측면에만 종방향 돌출부를 구비한 단일벽의 가능한 실시예의 전방도면을 도시한다.

도 3B는 선 X-X를 따라 취한 도 3A의 단일벽의 측면도.

도 4A는 도 2B의 제조방법에 의하여 도 2A의 프레임을 도 3A의 단일벽에 용접하여 만들어진 조립체의 전방도면.

도 4B는 선 Y-Y를 따라 취한 도 4A의 조립체의 측면도.

도 5는 돌출부 정점의 측면에서 제1전극 또는 전류분배기를 구비하고 대향한 측면에서 지지부를 구비한 도 4A 및 도 4B의 조립체의 측면도로서, 제1전극 또는 전류분배기와 정점들과 지지부의 발부분은 제1단일 용접시리즈에 의해 부착되어 있다.

도 6은 제1전극 또는 전류분배기를 구비한 측면의 반대쪽에서 지지부의 측면도와 함께, 도 5의 조립체의 세부를 3차원 설계로 도시하고 있다.

도 7은 제2전극 또는 전류분배기가 제2단일 용접시리즈에 의해 지지부의 자유 종단면에 부착된 상태에서 도 5의 조립체의 완성으로부터 만들어진 단일벽 양극판을 도시한다.

도 1은 단일벽 양극판의 구조에 대해 종래 기술에서 제안한 방식의 디자인을 도시한다. 특히, 제1플랜지(1a)는 단일벽(1) 자체를 접기가공하거나 몰딩함으로써 얻어지고, 한편 제2플랜지(2)는 적절한 스트립을 사용하여 접기가공 또는 몰딩된 사전조립된 엘리먼트로서 개별적으로 제조된다, 다음에 사전조립된 엘리먼트가 주변용접부(3)를 통해 단일벽에 용접되고, 상기 주변용접부는 2개의 시트(1, 2)의 전체 두께를 포함한다. 이렇게 하여 만들어진 프레임은 최종적으로 보강용 봉재(4)에 의해 완성되며, 상기 보강용 봉재는 예로서 탄소강과 같은 금속성 재료, 또는 유리섬유 보강 비닐 폴리에스터와 같은 플라스틱 재료로 제조된다. 이런 방식의 디자인에 특유한 문제점은 용접부(3) 내측에 결함들이 존재함으로써 발생하는 데, 그러한 결함들은 양극판의 두 측면에서 작용하도록 공급된 두 프로세스 유체가 서로 교통하도록 만들 수 있고, 또는 프로세스 유체 중 하나를 외부 환경에 노출시킬 수 있다. 전자 방식의 결함이 일정한 한계내에서 허용될 수 있는 반면에, 후자 방식의 결함은 절대적으로 허용될 수 없다. 당연히 당 업계의 전문가들에게 알려진 바와 같이, 용접부는 어떤 화학장치의 내부 또는 부품을 외부 환경에 노출시킬 수 있게 하는 결함의 존재 여부를 확인하기 위해 여러 가지 방법에 의해 검사를 받게 된다. 그러나 그러한 방법들은 생산율을 현저하게 저하시키고 결국에는 생산원가의 중대한 증가를 초래한다.

도 2A 내지 도 2C는 본 발명에 의해 제안된 용접부 결함의 문제에 대한 해결책을 보여주고 있다. 특히, 2개의 플랜지는 연속 시트로서 구성될 때 프로세스 유 체가 외부 환경으로 향하는 것을 막기 위한 배리어(barrier)로서 작용하는 단일 U형 프레임 모양의 엘리먼트(5)로써 형성된다. 이러한 배리어 작용은 프레임(5)을 단일벽(1)에 결합하는 용접부(7) 내에 포함된 결함 때문에 취소될 수도 있는데, 이러한 문제를 방지하기 위해 결합용 용접부(7)는 다이오드-레이저 기술에 의해 실행된다. 그러한 과정은, 직설적으로 말해서 약 0.4(a few tenths) 밀리미터와 2 밀리미터 사이에서 두께를 가지는 조립체를 구성하는 시트에서조차도, 고정밀도로 융해물의 침투를 예정할 수 있는 능력을 가지는 것을 특징으로 하는데, 상기 조립체에서 적절한 조정에 의해 프레임 시트(5)의 두께를 단지 부분적으로만 침투하는 용접 비드(7)가 달성되고 따라서 프레임 시트가 효과적인 배리어로서 보존된다. 있을 수 있는 결함들은 양극판의 두 측면에 존재하는 프로세스 유체를 서로 통하게 할 수 있으며, 이러한 상태는 융해 용접공정 자체에 기인하므로 회피할 수 없으며, 그럼에도 불구하고 결함의 완전한 횡단(complete crossing by defects)은 없는 것으로 판명되는 넓은 용접 비드를 달성하기 위해 용접 파라미터를 더 많이 조정하여 결함을 최소로 줄일 수 있다. 이와 같이 매우 양호한 특성을 보존하기 위해, 실제로 단일벽(1)의 주변 모서리와 규칙적으로 접촉하도록 만들어진 평평한 접촉면(6)을 제공하는 프레임의 특별한 프로필에 의하여 용접 과정이 용이하게 실행된다. 결론적으로, 본 발명의 용접 과정 및 프레임 디자인을 적용하면 실제로 품질 검사 과정을 제거할 수 있어서 생산원가를 크게 절약할 수 있게 한다.

다이오드 레이저 용접기술은 도 1의 종래 기술의 디자인에 의한 프레임의 경우에 사용할 것을 결정하지 않았다는 점에 주목하기 바란다. 실제로 용접 파라미터 가 시트(1)의 완전한 융해를 회피하도록 조정될 수 있어서 단일벽의 두 측면에 존재하는 두 프로세스 유체를 확실히 분리한다는 것은 사실이지만, 한편 용접 비드에 전술한 바와 같이 결함이 포함될 가능성도 배제할 수 없다는 것도 또한 사실이다. 그러한 결함은 상당한 크기라면, 플랜지(2)의 측면에 존재하는 프로세스 유체를 외부 환경과 접촉하도록 만들 것이다. 어떤 경우에도, 심지어 레이저-다이오드 용접기술과 같은 특별한 용접기술을 채용하더라도, 예를 들어 도 1과 같은 종래 기술의 디자인은 여하튼 복잡하고 값비싼 품질 검사의 실행을 요구하게 된다.

도 2C는 끝으로 본 발명의 다른 실시예를 도시하며, 여기서 2개의 플랜지가 다시 단일 엘리먼트로 통합되어 있지만, 사각형 프로필을 특징으로 하고 다시 평평한 접촉면(6)을 포함하는 폐쇄된 프레임(8)의 형상을 가진다. 사각형 엘리먼트의 연속 압축에 의해 얻어질 수 있는 특별한 실시예에서, 프레임은 보강용 봉재(4)를 포함하지 않으며, 필요한 기계적 내압축성은 재료의 적절한 두께에 의해 보장된다. 중공 프레임은 도면에 도시되지 않은 적절한 공급노즐 및 적절한 구멍을 통해 반응물을 공급하기 위한 덕트로서 사용될 수 있다.

결론적으로, 본 발명의 프레임 및 다이오드-레이저 기술에 의한 용접과정은 제조원가를 의미있는 방법으로 감소시킬 수 있게 하는데, 왜냐하면 완성된 양극판에서 실행해야 할 누설 검사가 실제로 생략될 수 있고 그럼에도 불구하고 전해조 또는 스택에 조립된 양극판들이 프로세스 유체가 외부 환경과 교통할 수 있게 하는 결함을 갖지 않은 것으로 실제로 판명되었기 때문이다.

프레임-단일벽 조립체의 원가 감소로 인하여 초래되는 장점이 제거되지 않도 록 하기 위하여 전극 지지부와 제1 및 제2 전극 또는 전류분배기의 연속적인 조립 작업의 원가들도 제한해야 할 필요가 있다.

이러한 결과를 얻기 위한 방법은 앞서 인용된 국제공개공보 WO 03/038154호에 공개되어 있는데, 여기서 양극판의 단일벽은 몰딩에 의해 양측면에 돌출부를 구비하고 있으며: 상기 돌출부는 제1 및 제2전극 또는 전류분배기가 이어서 고정되는 지지부로서 작용한다. 이러한 방법으로 단일벽의 두 측면에 존재하는 돌출부의 정점에 일치하여 단지 2개의 용접 시리즈가 사용되고 있다. 프로세스 유체의 내부 순환과 관련된 몇가지 장점을 가능하게 하는 WO 03/038154호의 과정은 실제로 극복하기 어려운 단점을 가지는데: 즉 단일벽은 양측면에 돌출부를 만드는데 필요한 이중몰딩 처리를 받게 되어서, 변경할 수 없는 큰 뒤틀림을 경험하며 결과적으로 평탄도가 부족하며 기계적 균열을 일으키고, 이들이 연합하여 높은 비율의 불량율을 초래하여 결과적으로 생산원가에 중대한 부담을 준다.

다른 한편, 언급된 바와 같이 EP 1 366 212호의 도 7에 도시된 종래 기술은 스트립형 지지부를 사용함으로써 아주 크게 평평한 양극판을 효과적으로 얻을 수 있게 하는데, 제1 및 제2전극 또는 전류분배기와 함께 단일벽에 지지부를 부착하는 일은 4개의 용접 시리즈를 실행할 것을 요구하며: 따라서 조립된 엘리먼트들은 고품질의 특징을 가지지만 생산원가가 의심할 바 없이 크게 증가할 것으로 여겨진다.

본 발명은 종래 공개된 기술에 사용할 수 있고 시장에서 허용하는 타당한 한계내에서 생산원가를 유지하면서 높은 평탄도의 양극판을 갖는 기술적 범위를 달성한다.

도 3은 단일벽(1)이 한 측면에만 돌출부(9)를 구비하고 있는 것을 도시하고: 따라서 몰딩 과정이 간략하게 되어 기계적 응력이 크게 줄어든다. 다음에 몰딩후 단일벽의 변형이 최소로 되고, 필요하면 압력 조정에 의해 용이하게 제거될 수 있다.

도 4A 및 도 4B는 단일벽(1)이 주변프레임(5)의 접촉면(6)에 어떻게 배치되고, 용접(7)에 의해 부착되는 보강용 봉재(4)를 선택적으로 구비하는 것을 도시하고 있다.

도 5는 연속 제조단계를 도시하며, 여기서 한 측면에만 돌출부(9)를 갖춘 단일벽(1)과 프레임(5)의 조립체가 돌출부(9)의 정점과 접촉하는 제1전극 또는 전류분배기(10)를 구비하고, 돌출부의 대향 측면에서 돌출부의 리세스내에 수용되는 스트립 형태로 된 지지부(11)를 구비하고: 3개의 구성요소(제1전극 또는 전류분배기(10), 돌출부(9)의 정점들, 및 지지부(11))를 상호 부착하는 것은 단일 용접 시리즈(12)를 통해 실행된다. 기계적 강성도(stiffness), 작동시의 전류 전도 및 결함이 없거나 최소의 결함에 대하여 최선의 결과가 예를 들어 이산화타소-레이저에 의한 레이저 용접기술을 사용하여 달성되며, 이산화탄소-레이저의 고융해 침투는 상술한 구성요소들을 동시에 고정시킬 수 있다. 지지부(11)는 돌출부(9) 내측에서 정점 안둘레(apex intrados)와 접촉상태로 배치되고, 상기 정점 안둘레는 동일한 지지부의 발부분과 양호하게 접촉하도록 평평한 부분을 제공한다. 돌출부(9) 정점의 평평한 표면의 발달은 지지부 발부분을 위해 양호한 지지 정착부(seat)를 달성하는데 필요한 정도까지 제한되는데, 그것은, 작동중에 전극 또는 분배기(10)가 특 히, 이온교환막이 돌출부에 부착된 제1전극에 접촉하는 경우 이온교환막의 완전성에 해를 끼치는 현상, 또는 가스확산전극이 돌출부에 부착된 제1전류분배기에 배치되어 사용되는 경우 반응가스 확산에 해를 끼치는 현상을 차폐하기 위한 지역이 되는 것을 회피하기 위해서이다. 지지부(9)는 직설적으로(indicatively) 1 밀리미터와 5 밀리미터 사이에 포함된 두께를 갖는 시트 스트립으로 구성된다. 지지부 스트립의 최적의 두께는 2가지 필요성을 절충한 결과로서 정해지는데, 즉 전류를 최고로 좋은 형태로 전도할 필요성(두꺼운 두께)과, 제2전극 또는 전류분배기와의 접합 영역에 일치하여, 제1전극 또는 전류분배기의 경우에 나타나는 동일한 차폐영역-형성 현상을 방지할 필요성(작은 두께)이다.

도 4 및 도 5에 본 발명의 양호한 실시예가 도시되어 있는데, 여기서 돌출부(9)는, 동일한 돌출부 내측에서 지지부(11)의 위치결정을 용이하게 하기 위하여, 단일벽보다 약간 작은 길이를 갖는 프리즘 모양을 갖는다. 당연히, 반응유체가 작동시에 혼합하는 것을 원활하게 만드는 장점을 갖는 정렬된 세그먼트(segment)로서 구성된 돌출부를 제조할 수도 있다. 이 경우에, 지지부는 일련의 돌출부 각각의 내측에 각각의 세그먼트가 용이하게 수용되도록 하는 길이의 세그먼트로서 양호하게 구획되어 있다.

도 6은 제1전극 또는 전류분배기가 돌출부의 정점과 접촉해 있는 측면에 대향한 지지부의 측면에서 바라본 도면과 함께 도 5의 조립체(원으로 한정된 영역)의 3차원 세부를 도시하며, 여기서 부호 (4)는 보강용 봉재를 가리키고, 부호 (5)는 스트립의 단일 부재로 몰딩된 주변프레임을 가리키고, 부호 (16)은 돌출부(9)의 내 부면을 가리키고, 부호 (11)은 스트립형 지지부를 가리키며, 돌출부 정점의 평평한 부분(13)과 접촉한 지지부의 발부분은 제1용접 시리즈(12)에 의해 고정된다.

도 7에서, 본 발명에 따라 양극판을 만들어 도 5의 엘리먼트를 완성한 것을 도시하며, 제2전극 또는 전류분배기(14)는 지지부(11)의 자유 종단면(free terminal surface)과 접촉상태로 놓이고, 단일 제2용접 시리즈(15)에 의해 고정되고, 상기 제2용접 시리즈는 예를 들어 전기저항, 전기아크, 양호하게는 고속도를 고려하여 레이저에 의해 여러 가지 공정으로 실행될 수 있다.

위에서 설명한 여러 가지 방식의 용접이 필요한 품질을 제공하도록 하기 위해, 또한 본 발명의 양극판의 여러 가지 구성부품이 전체 제조시간 동안에 정확한 접촉상태로 유지될 필요가 있다. 이를 위하여, 여러 가지 구성부품들은 적절한 제조 형판(template) 내에서 정확하게 봉쇄되어 있어야 하는데, 즉 프레임과 단일벽은 부착용 용접부(7)를 실행하는 단계 중에 봉쇄되어 있어야 하고, 단일의 제1용접 시리즈(12)를 실행하는 단계 중에는 제1전극 또는 전류분배기와 주변프레임(5)에 부착된 단일벽(1) 및 지지부(11)가 적절한 제조 형판 내에서 정확하게 봉쇄되어 있어야 하고, 끝으로 단일의 제1용접 시리즈에 의해 달성된 엘리먼트와 제2전극 또는 전류분배기(14)가 적절한 제조 형판 내에서 정확하게 봉쇄되어 있어야 한다.

본 발명의 양극판의 치수에 대하여, 돌출부 및 지지부의 높이는 단일벽 표면에서부터 2개의 전극 또는 전류분배기의 거리가 동일하게 되도록 가장 간단하게 선택된다. 이러한 방식의 대칭 디자인은 예를 들어, 염산 용액의 종래 전기분해를 위한 전해조와, 수산화칼륨 용액에 의한 물 전기분배를 위한 전해조에 장착하도록 양 극판을 제조하는 경우에 사용되며, 이들의 경우에 돌출부를 구비한 단일벽을 위한 건축 재료와, 지지부를 위한 건축 재료와, 전극 또는 전류분배기를 위한 건축 재료는 각각 티타늄 또는 티타늄 합금과 니켈이다. 양쪽의 경우에, 용액은 생성 가스(각각 염소-수소, 산소-수소)를 이산 기포(bubble dispersion)로서 포함하고: 이상성 유체(biphasic fluid)의 순환을 원활하게 하기 위해, 양극실 및 음극실의 적절한 깊이가 요구되고, 따라서 돌출부 및 지지부는 직설적으로 30밀리미터와 50밀리미터 사이에 들어가는 단일벽 대 전극 또는 전류분배기의 표면 거리를 달성하도록 하는 치수로 되어 있다. 선택적으로, 양극실과 음극실중 하나 또는 양쪽 모두 이상성 유체의 순환을 더욱 촉진시키고 또 액체로부터 기포의 유착이나 기포의 분리를 가속화시키기 위한 디바이스를 장착할 수 있다. 그와 유사한 디바이스로서, 양극판 단일벽의 한 면 또는 양쪽 면의 적절한 위치에 설치된 채널 및 평평한 유동 편향기가 예를 들어 WO 03/048420호에 공개되어 있다.

본 발명의 양극판은 염산 용액의 전기분해를 위하여 산소확산 음극을 장착한 전해조를 조립하는데 유리하게 사용될 수 있는데, 상기 전해조에서는 종래 전기분해의 경우에서와 같이 돌출부를 구비한 단일벽과 지지부와 전극 또는 전류분배기를 위한 건축 재료가 티타늄 또는 티타늄 합금이다. 디지인은 재미있는 형태로 변경될 수 있는데: 실제로 산소확산 음극은 돌출부를 구비한 단일벽의 측면에 장착되고, 돌출부의 높이는, 이 측면에서의 프로세스 유체가 전체적으로 적당한 격실 폭을 요구하는 기상의 산소 또는 공기이기 때문에 유리하게 감소된다. 이것은 몰딩 작업을 단순화시키며, 적당한 변형처리된 단일벽이 차후의 바로잡기(straightening) 작업 이 개입할 필요성이 없이 실질적으로 평평하게 된다. 특히, 단일벽 대 전극 또는 전류분배기의 거리는 5밀리미터와 10밀리미터 사이에 있다. 더구나, 적당한 몰딩 응력은 균열의 발생 가능성을 완전히 제거하는데, 그 반대로 그러한 균열은 WO 03/038154호의 돌출부의 몰딩 중에 빈번하게 일어난다.

단일벽의 다른(양극) 측면은 염소 기포가 분산되어 있는 염산 용액과 접촉하고 있으며: 이러한 이상성 혼합물의 정확한 순환은, 격실이 적절한 깊이를 가질 것과, 따라서 지지부가 전술한 바와 같이 30 밀리미터와 50 밀리미터 사이의 전극(양극) 대 단일벽 표면간의 거리를 보장하도록 하는 높이로 디자인될 것을 요구한다.

본 발명의 양극판은 또한 박막 연료전지 조립체(스택(stack)으로서 공지되어 있음)의 제작에 사용될 수 있다. 이런 종류의 전지에서 프로세스 유체가 음극 측에서는 공기이고 양극 측에서는 수소 또는 수소함유 혼합물이기 때문에, 기상으로서만 횡단이 가능한 양 격실의 깊이가 적당하게 될 수 있으며: 이것은 돌출부 및 유사하게 지지부가 (상술한 장점과 함께) 축소된 높이를 가지게 하고, 또한 단일벽 대 전극 또는 전류분배기 사이의 거리가 양극과 음극의 양 측면에서 5 mm 이하가 되게 한다.

본 발명의 다수의 양극판을 포함하는 전해조 또는 스택의 상술한 모든 응용에서 전극 또는 전류분배기의 열화는 일정한 작동시간 이후에 발생하며 따라서 새로운 구성부품으로 교체되어야 한다. 제2전극 또는 전류분배기의 경우에 지지부에 대한 고정용 용접부를 예로서 연마에 의해 제거하고 새로운 교환 부재를 지지부의 자유 종단면에 용접함으로써 교환이 이루어진다. 이러한 과정은 대체로 돌출부의 얇은 시트에 피해를 입힐 위험이 너무 높기 때문에 제1전극 또는 전류분배기에서는 회피되어야 하며: 양호한 대안적인 과정은, 손상된 전극보다 더 얇은 새로운 전극 또는 전류분배기를 용접에 의해 예로서 값이 싼 저항 스폿용접에 의해 고정할 수 있도록 한다. 다음에 제 위치에 남아있는 손상된 제1전극 또는 전류분배기는 더 얇은 새로운 부재에 동질의 전류 분배를 제공한다.

본 발명의 양극판의 구조 및 여러 가지 구성요소의 관련된 조립 과정은 위에서 주어진 혼용의 정의를 정당화하는데: 실제로 본 발명의 양극판 구조는, 단일벽에 몰딩된 돌출부와 이것과 동일한 것을 새로운 형태로 서로 결합하고 있는 종래 기술의 스트립형 지지부에 유익하게 사용하고 있다. 공개된 조합은 단 2개의 용접 시리즈에 의해 구성부품들(제1 및 제2전극 또는 전류분배기, 한 측면에만 돌출부를 갖는 단일벽, 및 스트립형 지지부)을 조립하고, WO 03/038154호의 용접 공정과 동일한 경제적 이점을 달성하면서 대단히 힘든 몰딩 작업에 의지하지 않게 한다.

본 명세서에 포함된 설명에서 몇 개의 양호한 실시예를 참고하였지만, 그럼에도 불구하고 기술이 숙련된 자는 아래 청구범위에서 한정하고 제한한 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 변경이 가능하다.

Claims (28)

1. 격리판에 의해 분리된 제1격실 및 제2격실을 포함하고, 제1 및 제2 전극 또는 전류분배기를 각각 수용하고 있는 전기화학 전지용 양극판으로서,

   상기 양극판은 단일벽, 주변플랜지, 및 반응물을 공급하여 생성물을 추출하기 위한 수단을 포함하고, 상기 주변플랜지는 상기 단일벽에 용접하기 위한 평평한 접촉면을 구비하는 사전조립된 프레임을 포함하는 양극판.
2. 제1항에 있어서, 상기 프레임의 평평한 접촉면과 단일벽 사이의 용접은 다이오드 레이저 용접으로 이루어지는 양극판.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프레임은 일반적으로 U 형 프로필을 갖는 양극판.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프레임은 사각형의 폐쇄된 프로필을 갖는 양극판.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응물 공급 수단은 다수의 분배 구멍을 갖춘 사전조립된 프레임으로 이루어지는 양극판.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일벽은 한 측면에만 돌출부를 구비하고 상기 돌출부에 대향한 측면에서 지지부를 구비하는 양극판.
7. 제6항에 있어서, 상기 돌출부는 양극판의 한 측면에 평행한 종방향 돌출부인 양극판.
8. 제7항에 있어서, 상기 돌출부는 상기 측면의 길이보다 약간 작은 길이를 갖는 연속적인 돌출부인 양극판.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지부는 상기 돌출부의 리세스내에 수용된 발부분을 포함한 시트의 스트립인 양극판.
10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1전극 또는 전류분배기는 상기 돌출부의 정점과 접촉하는 양극판.
11. 제10항에 있어서, 상기 제1전극 또는 전류분배기와, 상기 제1전극 또는 전류분배기와 접촉하는 돌출부의 정점과, 상기 지지부의 발부분은 제1단일 용접시리즈를 통해 연결되는 양극판.
12. 제11항에 있어서, 상기 제1단일 용접시리즈는 전기저항 용접 또는 전기아크 용접 또는 레이저 용접을 포함하는 양극판.
13. 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2전극 또는 전류분배기는 상기 지지부의 자유 종단면과 접촉하는 양극판.
14. 제13항에 있어서, 상기 제2전극 또는 전류분배기와 상기 지지부의 자유 종단면들은 제2단일 용접시리즈를 통해 연결되는 양극판.
15. 제14항에 있어서, 상기 제2단일 용접시리즈는 전기저항 용접 또는 전기아크 용접 또는 레이저 용접을 포함하는 양극판.
16. 제6항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 돌출부는 작은 폭의 평평한 표면을 갖춘 정점을 갖는 양극판.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1전극 또는 전류분배기와 상기 제2전극 또는 전류분배기와 상기 단일벽 사이의 거리들은 동일한 양극판.
18. 제17항에 있어서, 상기 거리들은 5와 50 밀리미터 사이에 있는 양극판.
19. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1전극 또는 전류분배기 와 단일벽 사이의 거리는 상기 제2전극 또는 전류분배기와 단일벽 사이의 거리보다 작은 양극판.
20. 제19항에 있어서, 상기 거리들은 각각 5와 50 밀리미터 사이와, 30과 50 밀리미터 사이에 있는 양극판.
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단일벽은 이상성 유체의 순환을 향상시키기 위한 디바이스를 구비하는 양극판.
22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 의한 양극판을 포함하는 다수의 단위 전지를 구비하는 전해조.
23. 제22항에 있어서, 주변 밀봉 개스킷 및 격리판은 양극판들의 인접한 쌍들 사이에 끼워지는 전해조.
24. 제23항에 있어서, 상기 격리판은 이온교환막 또는 다공성 격막인 전해조.
25. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 의한 양극판을 포함하는 다수의 연료전지를 구비하는 스택.
26. 제25항에 있어서, 주변 밀봉 개스킷 및 격리판은 양극판들의 인접한 쌍들 사이에 끼워지는 스택.
27. 제26항에 있어서, 상기 격리판은 이온교환막 또는 다공성 격막인 스택.
28. 제15항 또는 제16항에 의한 양극판의 제조방법에 있어서,

    U 형 프로필 및 평평한 접촉면을 갖춘 프레임을 형성하도록 시트 스트립을 접기가공 또는 몰딩하거나 또는 폐쇄된 사각형 프로필 및 평평한 접촉면을 갖춘 프레임을 형성하도록 사각형 엘리먼트를 드래프트하는 단계,

    상기 스트립 형상의 지지부를 사전조립하는 단계,

    단일벽의 한 측면에만 돌출부를 몰딩하는 단계,

    상기 프레임의 평평한 접촉면에 단일벽의 주변모서리를 위치결정하여 다이오드 레이저 기술에 의해 용접하는 단계,

    상기 단일벽에 이상성 유체의 순환을 향상시키기 위한 디바이스를 선택적으로 위치결정하고 전기저항 용접 또는 전기아크 용접 또는 레이저 용접에 의해 부착하는 단계,

    용접된 프레임-단일벽 엘리먼트의 돌출부의 리세스에 상기 사전조립된 지지부를 수용하고, 상기 제1전극 또는 전류분배기를 상기 돌출부의 정점에 접촉하도록 위치결정하고, 전기아크 용접 또는 레이저 용접 기술에 의하여 제1단일 용접시리즈를 실행하는 단계,

    제2전극 또는 전류분배기를 상기 지지부의 자유 종단면과 접촉하도록 위치결정하고, 전기저항 용접 또는 전기아크 용접 또는 레이저 용접에 의해 제2단일 용접시리즈를 실행하는 단계를 포함하는 양극판의 제조방법.

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