KR20070108894A - 원통형 전극 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매작용이 제공되어 있으며 용이하게 분리가능한 교체식 구성부품이 부착된 불활성 전도성 코어, 예를 들어 파형 시트 또는 메시를 포함하는 가스 방출용 원통형 전극에 관한 것이다.

전극, 코어, 가스방출, 촉매, 파형시트, 메시.

Description

원통형 전극{Cylindrical electrode}

본 발명은 전기화학 방법을 위한 원통 기하(cylindrical geometry)의 전극에 관한 것으로서, 특히 표면에서 촉매 작용을 하는 중앙 금속 전도체로 이루어진 원통형 전극에 관한 것이다.

원통 기하의 전극을 사용하는 것은 전기화학의 여러 분야에서 공지되어 있으며, 대다수의 경우 중공의 원통형 카운터전극 내부에 동심으로 배치된 원통형 전극이 전기투석(미국 20030010639), 물 전기분해(DE 196 36 171), 오존 생산(JP2001198574) 및 기타 응용에서 현재 사용되고 있다. 그럼에도불구하고 대부분 동축상의 원통형 전극 기하를 사용하는 가장 중요한 방법은 여러 가지 오염물로부터 정화하거나 음료수로 만들기(potabilisation) 위하여 수용액으로부터의 금속 회수(예로서 US 6,451,183호 또는 DE 197 49 445)와 폐수 처리(공업용수, 도시의 물, 기타)이다. 특히 소형 전기화학 전지에서의 원통 기하는 특별히 유체 분포에 대하여 실질적인 유익을 제공한다. 고려중인 방법에 따라, 원통형 전극은 양극 또는 음극이 될 수 있고; 대부분의 경우 그러한 전극은 가스 방출 반응, 예를 들어 수소 음극 방출 또는, 산소, 오존 또는 염소의 양극 방출에 적합하다. 가스방출 반응, 특히 양극 반응은 충분한 효율로 발생하도록 촉매처리되어야 하며; 따라서 종래 기 술의 원통형 전극은 널리 공지된 바와 같이 방출되어야 할 가스의 종류와 필요한 전위의 종류에 따라 보통 금속 산화물에 기초한 촉매로 코팅된 금속 원통형 전도성 지지부(보통 양극의 경우 티타늄 또는 다른 밸브 금속(valve metal))로서 구성된다. 원통형 지지부에 촉매 코팅을 도포하는 도포방법은 지지부를 선구물질(precursor)로 도포하고, 이어서 고온 열처리(350 내지 700℃)에 의하여 선구물질을 변환하는 것이다. 선구물질 용액으로 금속 전극을 도포하는 것은 정전기 분무방법에 의하여 양호하게 실시되며; 이 경우 원통 기하는 도포의 동질성에 관하여 평평한 기하보다 덜 바람직하다. 더구나, 촉매 코팅은 제한된 작동 수명(도포에 따라 직설적으로 1년 내지 5년)을 가진다. 본래의 코팅이 소모되면, 코팅은 기계적 수단으로 완전히 제거되어 회복되어야 한다. 코팅 제거작업은 원통 기하, 특히 소형의 원통 기하에서는 성가시다. 어떤 경우에, 전극의 촉매 활동을 회복하기 위해 필요한 연장된 시간들은 공장 작업에 불필요한 제한을 초래하고, 다른 방법으로서는 생산의 일시적 중단과 전체 공장의 과다한 크기를 부여함으로써 계획된 주기적 전극 재활성화 또는 다량의 교체 전극을 보관할 필요성을 가지게 하며, 이것은 투자비 관점에서 매우 부담스러운 해결책이다.

따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 제한을 해결하는 전기화학적 방법을 위한 원통형 전극을 제공하는데 있다. 다른 관점에서, 본 발명의 목적은 도포의 용이성을 증가시키거나 촉매 코팅을 회복시키는 원통형 전극을 제공하는데 있다. 또 다른 관점에서, 본 발명의 목적은 공정 관리 효율 면에서 원통형 전극의 촉매 재활성화를 위한 개선된 방법을 제공하는데 있다. 이러한 목적 및 다른 목적들은 본 발 명을 예시하며 그 범위를 제한하지 않는 아래 설명에 의해 명백히 나타날 것이다.

제1양상에서, 본 발명은 전류 컬렉터로서 작용하는 전도성 코어를 포함하는 가스방출용 전극으로서, 상기 코어에 분리식 구성부품, 예로서 전도성 재료로 제조된, 메시(mesh) 또는 중실의 다공 또는 확장 시트가 외부에서 고정되는 전극에 관한 것이다. 아주 양호한 실시예에서, 분리식 구성부품(detachable component)은 촉매 코팅을 구비하고 전극의 활성원소로서 이루어진다. 본 발명의 전극 기하는 전기야금학 또는 수처리 방법에서 산소, 오존 또는 염소 방출을 위해 양극의 구조에 특히 적합하다. 이 경우에, 전도성 원통형 코어는 유리하게 밸브 금속, 대부분의 경우 티타늄으로 제조된다. 원통형 코어는 임의의 크기로 될 수 있는데, 가장 통상적인 직경은 응용에 따라 1과 25 cm 의 범위 안에 있다. 분리식 구성부품은 양호하게 전도성 코어와 동일한 재료로 유리하게 제조될 수 있는 금속 메시 또는 시트이며, 양호하게 0.3과 0.8 mm 범위의 두께를 가지며, 다른 두께로 할 수도 있다.

제2양상으로서, 본 발명은 촉매 코팅을 외부에서 갖춘 분리식 엘리먼트를 적용하는 것을 포함하는, 소모된 촉매 코팅을 갖춘 원통형 양극의 재활성화를 위한 방법에 관한 것이다.

본 발명은 단지 예를 들기 위한 목적으로 도시된 아래 도면을 참고하여 양호하게 설명될 것이다.

도 1A 내지 도 1C는 본 발명의 전극의 제1실시예를 도시하며, 도 1A는 원통 형 전도성 코어 및 금속 시트 또는 메시를 분리식 구성부품으로서 도시하고, 도 1B 및 도 1C는 동일한 구성부품을 조립한 평면도 및 측면도를 도시한다.

도 2A 및 도 2B는 본 발명의 전극의 제2실시예를 도시하며, 도 2A는 전도성 코어의 모면을 따라 용접된 금속 시트 또는 메시를 도시하고, 도 2B는 전도성 코어 둘레에 감겨서 용접 스폿으로 부착된 동일한 금속 시트 또는 메시를 도시한다.

도 1A 내지 도 1C는 본 발명의 전극의 제1실시예를 도시하며, 특히 도 1A에는 원통형 전도체(100)의 평면도가 도시되어 있고, 이 원통형 전도체는 예를 들어 티타늄 또는 음극(cathode)의 경우에 스테인레스강의 금속 로드 또는 중공 실린더로서 이루어진다. 일단 조립된 후에는 본 발명의 전극의 전도성 원통형 코어로서 작용하는 원통형 전도체(100)는 또한 종래 기술의 원통형 전극, 예를 들어 소모된 촉매 코팅을 갖는 전극이 될 수 있다.

부호 (200)은 물결모양의 주름진 실린더(corrugated cylinder)를 형성하도록 둥글게 감겨 자체적으로 폐쇄되어 용접된 파형(undulated) 금속 시트의 평면도를 가리키며, 적어도 외부면에 표면상의 촉매 코팅이 제공되어 있다. 도면에서, 파형 시트의 주름은 실제 크기로 도시되어 있지 않고, 도면의 이해를 돕기 위해 크게 과장되어 있다. 조금 덜 양호한 실시예에서, 시트(200)는 동일한 기하의 파형 메시로 대체될 수 있다. 실린더로 감긴 시트(200)의 직경은 전도성 코어(100)의 직경보다 조금 작지만, 파형 기하는 거기에 일정한 가요성을 부여하고 있어서 코어 자체에 강제로 삽입될 수 있다. 상기 가요성은 감소된 두께(통상 0.5 mm, 어떤 경우에 0.3 과 1 mm 사이에 포함됨)의 파형 시트를 위해 상당히 크다. 도 2B는 두 부재가 조립후의 평면도를 도시하고: 파형 시트(200)를 삽입한 후 두 부재는 용접 스폿(도시 안됨)에 의해 더욱 견고하게 부착될 수 있다. 도 1C는 동일한 조립체의 측면도를 도시한다. 특히 도 1B로부터 알 수 있듯이, 원통형 전도체에서 직접 얻을 수 있는 촉매 작용에 비하여, 파형 시트를 사용하면 활성면을 현저하게 증가시키는 명백한 장점을 갖게 된다. 더구나, 촉매 코팅을 소모하면, 시트(200)는 용이하게 제거되어 그 장소에 직접 이미 활성화된 다른 시트로 교체될 수 있으며, 최소의 중단시간이 걸리고 활성화된 시트를 그 장소에 저장된 채로 유지하는 것만이 필요하며, 완성된 전극들의 시리즈를 필요로 하지 않는다. 이러한 방법으로 재활성화의 경우에 재료의 취급 원가도 또한 감소한다.

도 2A 및 도 2B에 본 발명의 양호한 제2실시예가 도시되며; 특히 도 2A는 또한 이 경우에 금속 로드 또는 중공 실린더로서 이루어지는 원통형 전도체(101)를 도시하고, 상기 로드 또는 실린더는 예로서 양극(anode)의 경우 티타늄 또는 기타 밸브 금속이거나, 음극의 경우 니켈 또는 스테인레스강이다. 또한 이 경우 원통형 전도체(101)는 또한 종래 기술의 원통형 전극, 예를 들어 소모된 촉매 코팅을 갖는 전극이 될 수 있다.

부호 (201)은 원통형 전도체(101)의 모면(generatrix)을 따라 플래그용접된(flag-welded), 촉매 코팅을 갖춘 메시를 가리키며; 이 도면은 예를 들어 레이저에 의해 얻어지는 연속 용접부(300)로서 두 부재의 접합부를 도시하며, 용접부는 스폿 용접과 같은 다른 방식의 용접도 가능하다. 메시(201)도 역시 확장 시트 또는 다공 시트로 대체될 수 있으며 또는 덜 양호한 실시예로서 중실(solid) 시트로 대체될 수 있다. 도 2B는 후속 단계로서 메시(201)가 원통형 코어를 둘러싸도록 둘둘 말리고 대향한 모서리들을 중첩한 후에 스폿 용접(301)에 의하여 자체적으로 용접된 것을 도시하고 있다. 덜 양호한 실시예로서, 메시(201)는 전도성 코어(101)에 모두 용접된, 중첩하지 않는 모서리들을 가질 수 있으며; 또한 스폿 용접(301)은 다른 방식의 고정법, 예로서 연속 용접에 의해 대체될 수 있다. 이 경우, 메시(201)의 적절한 기하는 원통형 전도체의 직접적인 활성화에 대하여 구해진 전극의 활성면을 실질적으로 증가시킬 수 있으며, 더구나 원통형 코어(101)에 외부에서 고정된 금속 메시(201)는 촉매 작용이 소모된 후에는 용이하게 제거되어 새로운 것으로 교체될 수 있다.

실례

미국 특허 제6,451,183호에 공지된 것으로서 15cm 두께의 중공 실린더로서 구성되어 있는 구리 전착 관형 전지(copper electrodeposition tubular cell)에 채용된 전지를 위한 티타늄 원통형 양극이, 기술에 공지된 바와 같이 티타늄 및 산화티타늄기 중간층에 걸쳐 티타늄 및 산화티타늄기 코팅(전체 16 g/cm²)으로 활성화되었다. 상기 양극은 5% 황 용액에서 온도 25℃와 전류 500 A/m²에서 표준 산소 방출 시험이 실시되었다. 시험을 8시간 경과한 후에 3.30 V의 안정 전압이 검출되었다(종래 기술에 의한 전극).

본 발명에 의한 전극은 촉매 작용이 없이 동일한 티타늄 로드를 사용하여 준 비하였고, 상기 로드에 종래 기술에 의한 이전 샘플과 동일한 구성물로 활성화된 0.5 mm 두께 티타늄 메시가 부착되었고, 도 2에 도시된 구성을 사용하였으며; 따라서 활성화된 메시가 먼저 연속 용접에 의하여 실린더의 모면을 따라 부착되고, 다음에 자체적으로 감겨서 3개의 용접 스폿에 의해 고정되었다.

이 전극은 동일한 공정 조건에서 이전 샘플과 동일한 산소 방출 시험이 실시되었다. 시험을 8시간 경과한 후에 2.90 V의 안정 전압이 검출되었다(본 발명의 전극).

이에 의하여 본 발명의 전극이, 소모된 원통형 전극의 재활성화와 주로 관련된 종래 기술의 불편함을 매우 실용적인 형태로 해소하는 것 외에, 아마도 크게 노출된 표면 때문에 상당히 긴 예상 수명에 해당하는 상당히 큰 에너지효율(더 작은 전압)에서 어떻게 작동하는지를 보여주었다.

기술에 숙련된 자에게서 용이하게 이해되는 바와 같이 본 발명은 상술한 시례에 대하여 다른 변경 및 수정이 가능하다.

상기 설명은 본 발명을 제한할 의도는 없으며 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 다른 실시예에 따라 사용될 수 있으며 그 범위는 첨부한 청구범위에서 한 뜻으로 한정하고 있다.

본 명세서의 설명과 청구범위 전체에 걸쳐 용어 "포함"은 다른 요소나 첨가물의 출현을 배제하기 위한 의도로 사용되어서는 안된다.

Claims (16)

1. 전도성 원통형 코어와, 외부에서 전기접촉상태로 부착된 금속 시트 또는 메시를 포함하는 가스방출용 전극.
2. 제1항에 있어서, 상기 전도성 원통형 코어는 티타늄 또는 다른 밸브 금속으로 제조되는 가스방출용 전극.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 원통형 코어는 1과 25 cm 사이의 직경을 갖는 가스방출용 전극.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 시트 또는 메시는 염소, 오존 또는 산소 방출을 위한 촉매 코팅에 의해 활성화되는 가스방출용 전극.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 시트 또는 메시는 높은 과전압 산소 방출을 위한 촉매 코팅에 의해 활성화되는 가스방출용 전극.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 시트 또는 메시는 상기 원통형 코어의 직경보다 작은 본래 직경의 실린더를 형성하도록 자체적으로 감겨서 대향한 두 측면을 따라 용접되고 코어에 강제로 삽입된 파형 시트인 가스방출 용 전극.
7. 제6항에 있어서, 실린더로 감겨서 상기 전도성 코어에 삽입된 상기 파형 시트는 용접스폿에 의하여 상기 전도성 코어에 부착되는 가스방출용 전극.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 파형 시트는 0.3과 1 mm 사이의 두께를 갖는 가스방출용 전극.
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 시트 또는 메시의 한 측면은 원통형 코어의 모면을 따라 용접되고, 상기 시트 또는 메시는 상기 전도성 코어 둘레에 감기는 가스방출용 전극.
10. 제9항에 있어서, 상기 금속 시트 또는 메시는 0.3과 1 mm 사이의 두께를 갖는 가스방출용 전극.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 의한 전극에서 산소의 양극 방출을 포함하는 금속 전착 방법.
12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 의한 전극에서 산소, 오존 또는 염소의 양극 방출을 포함하는 수처리 방법.
13. 소모성 촉매 코팅을 구비한 원통형 전극의 재활성화하기 위한 방법으로서,

    실린더를 형성하도록 자체적으로 감겨서 대향한 두 측면을 따라 용접된 파형 시트를 전극에 삽입하는 것을 포함하고, 상기 파형 시트에는 촉매 코팅이 제공되어 있는 전극의 재활성화 방법.
14. 제13항에 있어서, 자체적으로 감긴 상기 파형 시트는 원통형 전극보다 작은 직경의 실린더를 형성하는 전극의 재활성화 방법.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 파형 시트를 용접 스폿에 의하여 원통형 전극에 부착하는 것을 추가로 포함하는 전극의 재활성화 방법.
16. 소모성 촉매 코팅을 구비한 원통형 전극의 재활성화하기 위한 방법으로서,

    촉매 코팅을 구비한 금속 시트 또는 메시의 모서리를 전극의 모면을 따라 용접하는 단계와, 상기 금속 시트 또는 메시를 원통형 전극 둘레에 감는 단계와, 선택적으로 상기 금속 또는 메시의 대향한 모서리를 용접 스폿에 의하여 상기 원통형 전극에 부착하는 단계를 포함하는 전극의 재활성화 방법.

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