KR20150013171A

KR20150013171A - 이온 교환막 전해조

Info

Publication number: KR20150013171A
Application number: KR20147032135A
Authority: KR
Inventors: 기요히토 아사우미; 고이치 히라시마; 쩡칸 후앙; 미쓰마사 오카모토; 고지 요시무라
Original assignee: 크로린엔지니아즈 가부시키가이샤
Priority date: 2012-04-27
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2015-02-04
Also published as: US9828684B2; EP2843084A1; JP2013231218A; JP5945154B2; KR101858485B1; CN104254644B; IN2014MN02335A; EP2843084A4; US20150114830A1; WO2013161836A1; EP2843084B1; CN104254644A

Abstract

음극 격벽과 강성(剛性) 음극이 복수의 V자 스프링을 통하여 접합된 기존의 복극식 이온 교환막 전해조를, 간편한 방법에 의해, 전해 성능을 향상시킨 이온 교환막 전해조를 제공한다.이온 교환막(7)에 의해, 강성 양극(1a) 및 양극 격벽(1b)을 가지는 양극실(1)과, 강성 음극(2a) 및 음극 격벽(2b)을 가지는 음극실(2)로 구획되고, 강성 음극(2a)과 음극 격벽(2b)이 복수의 V자 스프링(3)을 통하여 접합되어 이루어지는 이온 교환막 전해조이다. 강성 음극(2a)의 V자 스프링(3) 접합면의 반대면에, 금속제 탄성체(5)로 가요성 음극(6)이 적층되어 되고, 또한 V자 스프링(3)의 개구측의 단부(端部) 근방에 도전성 부재(4)가 배치되고, V자 스프링(3)이 압축되는 것에 의해, V자 스프링(3)과 도전성 부재(4)가 전기적으로 접속되어 이루어진다.

Description

이온 교환막 전해조{CELL FOR ION EXCHANGE MEMBRANE ELECTROLYSIS}

본 발명은, 이온 교환막 전해조(이하, 단지 「전해조」라고 도 칭함)에 관한 것이며, 상세하게는, 음극 격벽과 강성(剛性) 음극이 복수의 V자 스프링을 통하여 접합된 기존의 복극식의 이온 교환막 전해조를, 간편한 방법에 의해, 전해 성능을 향상시킨 이온 교환막 전해조에 관한 것이다.

클로르알칼리 전해에 사용하는 이온 교환막 전해조에서는, 통상, 양극, 이온 교환막 및 수소 발생 음극의 3자를 밀착 상태로 배치하여 전해 전압의 저하를 도모하고 있다. 그러나, 전해 면적이 수 평방미터에도 도달하는 대형 전해조에 있어서는, 강성 부재의 양극 및 음극을 전극실에 수용한 경우, 양쪽 전극을 이온 교환막에 밀착시켜 전극 간격을 소정값으로 유지하는 것은 곤란했다.

전극간 거리 또는 전극과 전극 집전체의 사이의 거리를 작게 하기 위해서, 또는 거의 일정값으로 유지하기 위한 수단으로서, 이들에 재료로서 탄성 재료를 사용하는 전해조가 알려져 있다. 이와 같은 전해조는, 전극을 이온 교환막에 균일하게 밀착시키고 이온 교환막의 파손을 회피하기 위해, 및 양-음의 양쪽 전극 사이의 거리를 최소로 유지하기 위해, 적어도 한쪽 전극의 극간(極間) 거리 방향으로의 이동이 자유로운 구조로 만들고, 전극을 탄력성 부재로 가압하여 협지압을 조절하고 있다. 이 탄성 재료로서는, 금속 세선의 직포, 부직포, 망 등의 비강성 재료, 및 판스프링 등의 강성 재료가 알려져 있다.

그러나, 지금까지의 비강성 재료는, 전해조에 대한 장착 후에, 양극 측으로부터 과도하게 압압(押壓)된 경우에, 부분적으로 변형되어 전극간 거리가 불균일해지거나, 세선이 이온 교환막에 꽃히는 문제점을 가지고 있었다. 또한, 판스프링 등의 강성 재료는, 이온 교환막을 손상시키거나 소성(塑性) 변형이 생겨 재사용이 불가능하게 되는 문제점을 가지고 있었다. 또한, 식염 전해조와 같은 이온 교환막 전해조에서는, 양극이나 음극을 이온 교환막에 밀착시키고 저전압으로 운전을 계속할 수 있는 것이 바람직하고, 전극을 이온 교환막 방향으로 가압하기 위한 각종 방법이 제안되어 있다.

예를 들면, 특허 문헌 1에서는, 종래 이용되고 있던 판스프링이나 금속망형체 대신, 금속제 코일체를 음극과 음극 엔드플레이트에 장착하여 음극을 격막 방향으로 균일하게 압압하여 각 부재를 밀착시킨 전해조가 제안되어 있다. 또한, 특허 문헌 2에서는, 특허 문헌 1의 개량 기술로서, 금속제 코일체를 내식성(耐蝕性) 프레임에 권취하여 탄성 쿠션재를 제작하고, 이 탄성 쿠션재를 수소 발생 음극과 음극 집전판의 사이에 장착하여 수소 발생 음극을 이온 교환막에 균일하게 압압시킨 이온 교환막 전해조가 제안되어 있다.

일본특허공고 소63-53272호 공보 일본공개특허 제2004-300543호 공보

오늘날, 도 11에 나타낸 바와 같은, 강성 양극(31a) 및 양극 격벽(31b)을 가지는 양극실(31)과, 강성 음극(32a) 및 음극 격벽(32b)을 가지는 음극실(32)을 가지는 전해조 유닛(40)이, 이온 교환막(37)을 통하여 연속적으로 배치된, 이른바 제로 갭 전해조가 알려져 있다. 이 전해조 유닛은, 강성 음극(32a)과 음극 격벽(32b)이, 복수의 V자 스프링(33)을 통하여 접합되어 있고, V자 스프링(33)의 반력에 의해, 강성 음극(32a)과 이온 교환막(37)에 인접하는 전해조 유닛의 강성 양극이 밀착된다. 이와 같은 이온 교환막 전해조에 대해서도, 이온 교환막(37)의 파손 방지 및 전해 성능의 향상을 목적으로 하여, 특허 문헌 1 및 2에 의해 제안되어 있는 금속제 코일체이나 탄성 쿠션재를 적용한 개량이 가능하다. 또한, 전해 성능을 더욱 향상시킬 목적으로, V자 스프링(33)의 재질을 저저항인 것으로 변경하는 것도 고려할 수 있다. 그러나, 기존의 복극식 이온 교환막 전해조에서의 V자 스프링(33)을 교환하는 것은 대대적인 작업이 필요하며, 시간적으로도 비용면에서도 바람직하지 않다.

이에, 본 발명의 목적은, 음극 격벽과 강성 음극이 복수의 V자 스프링을 통하여 접합된 기존의 복극식 이온 교환막 전해조를, 간편한 방법에 의해, 전해 성능을 향상시키는 것에 있다.

본 발명자들은, 상기 문제점을 해결하기 위해 예의(銳意) 검토한 결과, 상기 이온 교환막 전해조의 V자 스프링을 흐르는 전해 전류의 경로를 최단으로 함으로써, 간편하게 전해 성능을 향상시킬 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 이온 교환막 전해조는, 이온 교환막에 의해, 강성 양극 및 양극 격벽을 가지는 양극실과, 강성 음극 및 음극 격벽을 가지는 음극실로 구획되고, 상기 강성 음극과 상기 음극 격벽이 복수의 V자 스프링을 통하여 접합되어 이루어지는 이온 교환막 전해조에 있어서,

상기 V자 스프링의 개구측의 단부(端部) 근방에 도전성 부재가 배치되고, 상기 V자 스프링이 압축되는 것에 의해, 상기 V자 스프링과 상기 도전성 부재가 전기적으로 접속되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서는, 상기 도전성 부재는 탄성을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 이온 교환막 전해조는, 이온 교환막에 의해, 강성 양극 및 양극 격벽을 가지는 양극실과, 강성 음극 및 음극 격벽을 가지는 음극실로 구획되고, 상기 강성 음극과 상기 음극 격벽이 복수의 V자 스프링을 통하여 접합되어 이루어지는 이온 교환막 전해조에 있어서,

상기 복수의 V자 스프링과 접합하고 있지 않은 강성 음극의 영역에, 음극 격벽 방향을 향해 오목부가 형성되고, 상기 오목부와 음극 격벽이 전기적으로 접속되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 V자 스프링이 압축되는 것에 의해, 상기 V자 스프링의 개구측의 단부끼리가 전기적으로 접속되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 이온 교환막 전해조에 있어서는, 상기 강성 음극의 V자 스프링 접합면의 반대면에, 금속제 탄성체와 가요성(可撓性) 음극이 중첩되어 배치되어 이루어지는 것이 바람직하고, 상기 금속제 탄성체로서는, 내식성 프레임에 금속제 탄성체를 권취하여 이루어지는 탄성 쿠션재나, 또는 평판 스프링형체 유지 부재로부터 경사지게 연장되는 복수 쌍의 빗살형(comb-shaped) 평판 스프링형체를 바람직하게 사용할 수 있다. 또한, 본 발명의 이온 교환막 전해조에 있어서는, 상기 금속제 탄성체는 금속제 코일체인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 음극 격벽과 강성 음극이 복수의 V자 스프링을 통하여 접합된 기존의 복극식 이온 교환막 전해조를, 간편한 방법에 의해, 전해 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조의 전해조 유닛의 전기적 접속을 개략적으로 나타내는 개략 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조의 V자 스프링 근방의 설명도이며, (a)는 V자 스프링 근방의 평면도이며, (b)는, V자 스프링의 개구부 측으로부터 본 (V)자 스프링 근방의 측면도이며, (c)는, A-A선을 따라 절단한 단면도이며, (d)는 B-B선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 V자 스프링과 도전성 부재와의 전기적 접속을 개략적으로 설명하는 개략도이며, (a)는 V자 스프링 압축 전의 상태이며, (b)는 V자 스프링 압축 후의 상태이다.
도 4는 본 발명에 따른 탄성을 가지는 도전성 부재의 일적합예를 나타낸 도면이며, (a) 탄성을 가지는 도전성 부재의 평면도이며, (b)는 탄성을 가지는 도전성 부재의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조의 전해조 유닛의 전기적 접속을 개략적으로 나타내는 개략 부분 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조의 V자 스프링 근방의 일례의 확대 부분 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조의 전해조 유닛의 전기적 접속을 개략적으로 나타내는 개략 부분 단면도이다.
도 8은 (a)은, 탄성 쿠션재에 사용하는 내식성 프레임의 일적합예를 나타낸 사시도이며, (b)는 탄성 쿠션재의 일적합예를 나타낸 사시도이다.
도 9는 평판 스프링형체의 일적합예를 나타낸 부분 사시도이다.
도 10은 실시예 1∼3 및 종래예의 전해조의 V자 스프링 근방의 확대도이며, (a)는 실시예 1, (b)는 실시예 2, (c)는 실시예 3, (d)는 종래예이다.
도 11은 종래의 이온 교환막 전해조의 전해조 유닛의 전기적 접속을 개략적으로 나타내는 개략 부분 단면도이다.

이하에서, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

본 발명의 이온 교환막 전해조는, 복극식 전해조 유닛의 소정 개수가, 이온 교환막을 통하여 적층되어 조립되어 이루어진다. 도 1은, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조의 전해조 유닛의 전기적 접속을 개략적으로 나타내는 개략 부분 단면도이다. 도시한 바와 같이, 전해조 유닛(10)은, 강성 양극(1a) 및 양극 격벽(1b)을 가지는 양극실(1)과, 강성 음극(2a) 및 음극 격벽(2b)을 가지는 음극실(2)로 구획되어 있다. 또한, 강성 음극(2a)과 음극 격벽(2b)은 V자 스프링(3)을 통하여 접합되어 있다. 그리고, 도시한 예에 있어서는, 양극 격벽(1b)과 음극 격벽(2b)은 요철(凹凸)을 가지는 형상이며, 티탄, 니켈 등의 박판으로 제작한 전극실의 강성을 높이고 있다.

도 2는, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조의 V자 스프링(3) 근방의 설명도이며, (a)는 V자 스프링 근방의 평면도이며, (b)는, V자 스프링의 개구부 측으로부터 본 V자 스프링 근방의 측면도이며, (c)는, A-A선을 따라 절단한 단면도이며, (d)는 B-B선을 따라 절단한 단면도이다. 도시한 바와 같이, V자 스프링(3)의 개구측의 단부 근방에 도전성 부재(4)(도시한 예에서는, 금속제 봉형체)가 배치되고, 이 도전성 부재(4)는 인접하는 V자 스프링(3)끼리의 간극(도시한 예에서는, w의 위치)으로, 강성 음극(2a)과 티그 용접 등에 의해 고정되어 있다. 본 발명의 전해조는, V자 스프링(3)이 압축되는 것에 의해, 즉 V자 스프링(3)이 눌러져서 찌부러지는 것에 의해, V자 스프링(3)과 도전성 부재(4)가 전기적으로 접속되어 있다.

도 3은, V자 스프링과 도전성 부재와의 전기적 접속을 설명하는 개략도이며, (a)는 V자 스프링 압축 전의 상태이며, (b)는 V자 스프링 압축 후의 상태이다. 종래의 전해조에 있어서는, 전해 전류는 V자 스프링(3)의 형상을 따라 흐르지만, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 전해조에 있어서는, 전해 전류는 도전성 부재(4)를 통하여 최단 경로를 흐르게 되어(도 1 및 도 3의 (b) 참조), V자 스프링(3)에서의 전력 손실을 억제할 수 있다. 도전성 부재(4)로서는, 양호한 내식성을 나타내는 니켈, 니켈 합금, 스테인레스강, 또는 구리 등의 고유 저항이 작은 금속에 양호한 내식성을 나타내는 니켈 등을 도금으로 피복하여 제조한 봉형체나 판상체, 또는 스테인레스강의 봉형체나 판상체를 니켈제의 메쉬로 덮은 것을 사용할 수 있다.

도 3에 있어서는, 도전성 부재(4)의 단면(斷面) 형상은 원형이지만, 본 발명의 전해조에 있어서는, 도전성 부재(4)의 단면 형상은 이것으로 한정되는 것은 아니다. 도전성 부재(4)의 단면 형상으로서는, 원형 이외에도, 타원형, 삼각형, 직사각형 등을 채용할 수도 있지만, 강성 음극(2a)의 표면에서 발생한 수소 가스가 이온 교환막의 반대측으로 빠져나가는 것을 방해하지 않도록, 강성 음극(2a)과 도전성 부재(4)가 선 접촉하는 것이 바람직하다. 이 때문에, 도전성 부재(4)의 단면 형상은, 원형 또는 타원형인 것이 바람직하다.

본 발명의 제1 실시형태에 따른 전해조에 있어서는, 도전성 부재(4)는 탄성을 가지고 있는 것이 바람직하다. 도전성 부재(4)가 금속제 봉형체와 같은 강성 부재인 경우, V자 스프링(3)과 도전성 부재(4)를 전면적으로 접촉시키는 것은 제작상 곤란한 경우도 있다. 이 경우에, V자 스프링(3)과 도전성 부재(4)의 접촉이 부분적이 되어, 접촉 저항을 충분히 저하시킬 수 없다. 이에, 도전성 부재(4)에 탄성을 가지게 함으로써, V자 스프링(3)과 도전성 부재(4)와의 접촉 면적을 증가시키고, 이로써, 접촉 저항을 더 저하시킬 수 있고, 그 결과, V자 스프링(3)에서의 전력 손실을 최소한으로 억제하는 것이 가능하게 된다.

도 4는, 탄성을 가지는 도전성 부재의 일적합예를 나타낸 도면이며, (a)는 탄성을 가지는 도전성 부재의 평면도이며, (b)는 탄성을 가지는 도전성 부재의 측면도이다. 도 4에 나타낸 탄성을 가지는 도전성 부재(4)는, 금속제 봉형체(4a)에 도전성 메쉬(4b)를, 휨을 가지도록 한 상태로 용접 등에 의해 고정한 것이지만, 본 발명의 실시형태는 이것으로 한정되지 않고, 이외에도, 니켈 등의 메쉬로 제작한 통 등을 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시형태에 따른 전해조에 있어서는, 강성 음극(2a)의 V자 스프링(3)의 접합면의 반대면에, 금속제 탄성체(5)(도시한 예에 있어서는, 금속제 코일체)와 가요성 음극(6)이 순차적으로 중첩되어 배치되어 이루어지는 것이 바람직하다. 이로써, V자 스프링(3)을 압축함으로써 생긴, 강성 음극(2a)과 이온 교환막(7)의 사이의 제로 갭화를 도모하고 있다. 즉, 금속제 탄성체(5)가 가요성 음극(6)을 이온 교환막(7)의 방향으로 균일하게 압압함으로써, 이온 교환막(7)을 파손하지 않고, 가요성 음극(6)과 이온 교환막(7)에 인접하는 전해조 유닛의 강성 양극이 밀착된다. 이로써, 이온 교환막 전해조의 전해 성능을 향상시킬 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조에 대하여 설명한다.

본 발명의 제2 실시형태에 있어서도, 이온 교환막 전해조는, 복극식의 전해조 유닛의 소정 개수가, 이온 교환막을 통하여 적층되어 조립된다. 도 5는, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조의 전해조 유닛의 전기적 접속을 개략적으로 나타내는 개략 부분 단면도이다. 도시한 바와 같이, 전해조 유닛(20)은, 강성 양극(11a) 및 양극 격벽(11b)을 가지는 양극실(11)과, 강성 음극(12a) 및 음극 격벽(12b)을 가지는 음극실(12)로 구획되어 있다. 또한, 강성 음극(12a)과 음극 격벽(12b)은 V자 스프링(13)을 통하여 접합되어 있다. 그리고, 도시한 예에 있어서는, 양극 격벽(11b)과 음극 격벽(12b)은 요철을 가지는 형상이며, 티탄, 니켈 등의 박판으로 제작한 전극실의 강성을 높이고 있다.

본 발명의 제2 실시형태에 따른 전해조에 있어서는, 강성 음극(12a)의 복수의 V자 스프링(13)이 접촉하고 있지 않은 영역에 오목부(18)를 형성한다. 도 6은, 본 발명의 제2 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조의 V자 스프링 근방의 일례의 확대 부분 사시도이다. 본 실시형태에 있어서는, 도 6에 나타낸 바와 같이, 강성 음극(12a)의 복수의 V자 스프링(13)과 접합하고 있지 않은 영역(인접하는 V자 스프링이끼리의 사이이며, 도 6 중의 동그라미로 에워싸인 영역 S)에 오목부(18)를 형성하고, 이 오목부(18)를, 직접 음극 격벽(12b)에 접촉시킨다. 이로써, 종래에는 V자 스프링(13)을 경유하여 흐르는 전해 전류가, V자 스프링(13)을 경유하지 않고 음극 격벽(12b)에 흐르게 되어(도 5 참조), 전력 손실을 최소한으로 억제할 수 있다.

그리고, 본 실시형태에 있어서, 강성 음극(12a)에 오목부(18)를 형성하는 방법에 대해서는 특별히 제한은 없고, 예를 들면, 망치를 사용하여 오목부(18)를 형성하면 된다. 또한, 이 오목부(18)와 음극 격벽(12b)을 티그 용접 등에 의해 고정시킴으로써, 접촉 저항을 저감시킬 수 있다. 본 발명의 제2 실시형태에 따른 전해조는, 제1 실시형태에 따른 전해조와는 달리, 새롭게 다른 부재를 도입할 필요는 없으며, 기존의 강성 음극(12a)에 음극 격벽(12b)을 향하는 오목부(18)를 설치하는 것뿐이므로, 그 가공이 용이한 장점을 가지고 있다.

본 실시형태에 있어서도, 강성 음극(12a)의 V자 스프링(13) 접합면의 반대면에, 금속제 탄성체(15)(도시한 예에 있어서는, 금속제 코일체)로 가요성 음극(16)이 순차적으로 중첩되어 배치되어 이루어지는 것이 바람직하다. 이로써, V자 스프링(13)을 압축함으로써 생긴, 강성 음극(12a)과 이온 교환막(17)과의 사이의 간극을, 금속제 탄성체(15)와 가요성 음극(16)에 의해 제로 갭 화를 도모하고 있다.

다음으로, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조에 대하여 설명한다.

본 발명의 제3 실시형태에 있어서도, 역시, 이온 교환막 전해조는, 복극식의 전해조 유닛의 소정 개수가, 이온 교환막을 통하여 적층되어 조립되어 이루어진다. 도 7은, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조의 음극실의 전기적 접속을 개략적으로 나타내는 개략 부분 단면도이다. 도시한 예에 있어서는, 전해조 유닛(30)은, 강성 양극(21a) 및 양극 격벽(21b)을 가지는 양극실(21)과, 강성 음극(22a) 및 음극 격벽(22b)을 가지는 음극실(22)로 구획되어 있다. 또한, 강성 음극(22a)과 음극 격벽(22b)은 V자 스프링(23)을 통하여 접합되어 있다. 그리고, 도시한 예에 있어서는, 양극 격벽(21b)과 음극 격벽(22b)은 요철을 가지는 형상이며, 티탄, 니켈 등의 박판으로 제작한 전극실의 강성을 높이고 있다.

또한, 본 발명의 제3 실시형태에 따른 전해조에 있어서는, V자 스프링(23)이 압축되는 것에 의해, V자 스프링(23)의 개구측의 단부끼리 접촉하여, 전기적으로 접속되어 있다. 즉, V자 스프링(23)이 완전히 눌러져서 찌부러진 상태로 되어 있다. 이러한 상태로 함으로써, 종래, V자 스프링(23)의 형상을 따라 흐르는 전해 전류가, 최단 경로로 흐르게 되어, 전력 손실을 최소한으로 억제할 수 있다. V자 스프링(23)의 단부끼리는, 티그 용접 등에 의해 고정시킴으로써, 접촉 저항을 더 저감시킬 수 있다. 그리고, 제3 실시형태에 따른 전해조에 있어서도, 새로운 부재를 도입할 필요가 없기 때문에, 가공이 용이한 장점을 가지고 있다.

본 발명의 제3 실시형태에 따른 전해조에 있어서도, 강성 음극(22a)의 V자 스프링(23)의 접합면의 반대면에, 금속제 탄성체(25)(도시한 예에 있어서는, 금속제 코일체)와 가요성 음극(26)이 순차적으로 중첩되어 배치되어 이루어지는 것이 바람직하다. 이로써, V자 스프링(23)을 압축함으로써 생긴, 강성 음극(22a)과 이온 교환막(27)의 사이의 간극을 금속제 탄성체(25)와 가요성 음극(26)에 의해 제로 갭화를 도모하고 있다. 그리고, 본 실시형태에 있어서는, V자 스프링(23)이 눌러져서 찌부러진 상태로 되어 있으므로, 제1 실시형태 및 제2 실시형태에 따른 전해조(10, 20)보다 금속제 탄성체(25)의 두께를 필요로 한다.

본 발명의 제1∼제3 실시형태에 따른 이온 교환막 전해조에 있어서는, 금속제 탄성체(5, 15, 25)로서 금속제 코일체를 예로 들고 있지만, 본 발명의 이온 교환막 전해조에 있어서는, 금속제 탄성체(5, 15, 25)는 도전성 재료로 이루어지고, 또한 탄성적 성질을 가지는 것이며, 유연한 가요성 음극(6, 16, 26)을 이온 교환막(7, 17, 27)에 가압하여 급전(給電)할 수 있는 것이면, 특별히 제한은 없다. 예를 들면, 금속제 코일체 이외에도, 후술하는, 평판 스프링형체 유지 부재로부터 경사지게 연장되는 평판 스프링형체를 사용할 수도 있다.

금속제 탄성체(5, 15, 25)로서 금속제 코일체를 사용하는 경우에는, 예를 들면, 양호한 내식성을 나타내는 니켈, 니켈 합금, 스테인레스강, 또는 구리 등의 고유 저항이 적은 금속에 양호한 내식성을 나타내는 니켈 등을 도금 등으로 피복하여 제조한 선재를 롤 가공에 의해 나선(螺旋) 코일로 가공함으로써 얻어진다. 얻어진 선재의 단면 형상은, 이온 교환막의 손상을 방지하는 관점에서, 원, 타원, 모서리부가 둥근 직사각형 등인 것이 바람직하다. 구체적으로는, 직경 0.17 ㎜의 니켈선(NW2201)을 롤 가공하면, 단면 형상이 약 0.05 ㎜×0.5 ㎜인 모서리부가 둥근 직사각형이 되고, 권취 직경이 약 6 ㎜인 코일 선을 얻을 수 있다.

도 1, 5 및 7에 있어서는, 금속제 탄성체(5, 15, 25)(도시한 예에서는 금속제 코일체)는 그대로 전해조 내의 강성 음극(2a, 12a, 22a)과 가요성 음극(6, 16, 26)의 사이에 배치되어 있지만, 본 발명의 이온 교환막 전해조에 있어서는, 금속제 코일체 대신, 내식성 프레임에 금속제 코일체를 권취하여 구성한 탄성 쿠션재를 사용할 수도 있다. 도 8의 (a)는, 탄성 쿠션재에 사용하는 내식성 프레임의 일적합예를 나타낸 사시도이며, (b)는 탄성 쿠션재의 예를 나타낸 사시도이다.

도 8의 (a) 및 (b)에 나타낸 예에서는, 본 발명에 따른 내식성 프레임(50)은 금속 환봉이며 직사각형의 프레임(51)의 길이 방향의 한 쌍의 환봉 사이에 걸쳐진 보강간(補强杆: supporting rod)(52)에 의해 이루어져 있다. 이 금속 환봉으로서는, 예를 들면, 직경 약 1.2 ㎜의 니켈제 금속 환봉을 바람직하게 사용할 수 있다. 본 발명에 따른 탄성 쿠션재(53)는, 내식성 프레임(50)의 길이 방향의 한 쌍의 환봉 사이의 대략 전체 길이에 걸쳐서, 금속제 탄성체(54)(도시한 예에 있어서는, 금속제 코일체)를 권취함으로써, 얻을 수 있다(도 8의 (b)). 이와 같이 하여 얻어진 탄성 쿠션재(53)는, 금속제 탄성체(54)가 내식성 프레임(50)에 권취되어 있으므로, 내식성 프레임(50)의 형상인 채 유지되고, 금속제 탄성체(54)가 내식성 프레임(50)으로부터 이탈하는 경우는 거의 없으며, 금속제 탄성체(54)를 내식성 프레임(50)과 일체화된 것으로서 취급할 수 있다. 금속제 탄성체(54)를 내식성 프레임(50)에 권취함으로써, 이하의 장점을 얻을 수 있다.

즉, 금속제 탄성체(54)는 변형율이 높으므로, 취급하기 곤란하며, 작업원의 의도한 대로 전해조의 소정 개소(箇所)에 설치하는 것이 곤란한 경우가 많다. 또한 용이하게 변형되므로(강도가 불충분하므로), 일단 전해조의 소정 개소에 설치해도 전해조 내의 전해액이나 생성 가스에 의해 편위(偏位)하여 각 부재의 균일한 밀착이 곤란하게 되는 경우가 있다. 이에 비해, 탄성 쿠션재(53)는, 예를 들면, 도 8의 (a)에 나타낸 바와 같이, 직사각형상의 내식성 프레임의 4개의 프레임 간(杆)으로 이루어진다. 이 중 대향하는 2개의 사이에, 거의 균일한 밀도가 되도록 금속제 탄성체(54)를 권취함으로써 얻을 수 있다(도 8의 (b) 참조). 그리고, 본 발명에 있어서는, 탄성 쿠션재에 사용하는 금속제 탄성체로서 금속제 코일체를 사용한 예를 설명했으나, 금속제 코일체 이외에도, 금속제 부직포 등의 상기 금속제 탄성체를 사용할 수도 있다.

금속제 탄성체로서 금속제 코일체를 사용한 경우, 금속제 코일체나 금속제 코일체를 권취하여 얻어진 탄성 쿠션재(53)에 있어서는, 금속제 코일체의 직경(코일의 외관상의 직경)은 전해조 내에 장착되는 것에 의해 통상 10%∼70%까지 축소되어 탄성이 생기고, 이 탄성에 의해 강성 음극(2a, 12a, 22a)과 가요성 음극(6, 16, 26)을 탄성적으로 접속하여 전극에 대한 급전이 용이하게 된다. 선 직경이 작은 금속제 코일체를 사용하면 필연적으로 강성 음극(2a, 12a, 22a)이나 가요성 음극(6, 16, 26)과 탄성 쿠션재와의 접촉점의 수가 많아지게 되어, 균일한 접촉이 가능하게 된다. 또한, 전해조에 장착된 후의 탄성 쿠션재(53)는, 그 내식성 프레임(50)에 의해 형상이 유지되므로, 소성 변형을 거의 받지 않아, 전해조의 해체-재조립 시에도 대부분의 경우 재사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 전해조에 있어서는, 전술한 바와 같이, 금속제 탄성체로서 평판 스프링형체를 사용할 수도 있다. 도 9는, 본 발명의 이온 교환막 전해조에 사용할 수 있는 평판 스프링형체의 일적합예를 나타낸 부분 사시도이다. 본 발명의 이온 교환막 전해조에 있어서는, 평판 스프링형체는 모두 동일한 방향으로 경사지게 연장되는 것이라도 되지만, 도 9에 나타낸 바와 같이, 인접하는 평판 스프링형체(60)는 서로 대향하여 경사지게 신장되어 있는 것이 바람직하다. 평판 스프링형체(60)가 서로 반대 방향으로 연장되어 있으면, 가요성 음극에 대하여 수직 방향으로만 힘이 작용하게 된다. 이 때문에, 가요성 음극은 수평 방향으로만 이동함으로써, 이온 교환막의 표면을 손상시키는 등의 문제점을 회피할 수 있다.

또한, 평판 스프링형체(60)의 선단(先端)은, 도시한 바와 같이 평판 스프링형체 유지부(61)와 거의 평행하게 절곡되고, 가요성 음극과 접촉하는 접촉부(60a)를 가지고 있는 것이 바람직하다. 접촉부(60a)를 형성함으로써, 평판 스프링형체(60)가 가요성 음극을 손상시키는 것을 회피할 수 있고, 또한 가요성 음극과 이온 교환막과의 접촉을 양호하게 할 수 있다. 그리고, 도시한 예에서는, 평판 스프링형체는 판재에 절입을 형성하고, 그 후 절입을 세워서 사용하고 있지만, 평판에 스프링형체를 임의의 방법에 의해 접합하여 제작한 것을 사용할 수도 있다.

지금까지, 본 발명의 이온 교환막 전해조에 관한 금속제 탄성 부재로서, 금속제 코일체, 탄성 쿠션재 및 평판 스프링형체를 사용한 예를 설명했으나, 본 발명의 이온 교환막 전해조에 있어서는, 이들 이외에도, 금속 세선에 파형을 형성한 것을 사용할 수도 있고, 또한 금속제의 부직포를 사용할 수도 있다. 그리고, 이외에도 금속제 탄성체로서는, 금속 와이어로 이루어지는 편물, 직물 및 이들의 적층체, 또는 3차원적으로 짠 것, 3차원적으로 짠 후에 여기에 파형 가공 등을 행한 형상을 가지는 것을 사용할 수도 있다.

본 발명의 이온 교환막 전해조에 있어서는, 금속제 탄성체나, 탄성 쿠션재를 포함하는 이온 교환막 전해조를 조립할 때는, 강성 음극(2a, 12a, 22a)과 가요성 음극(6, 16, 26)에 탄성 쿠션재 등을 위치시키고, 그 후에는 통상적으로 조립하면 소정의 위치에 탄성 쿠션재 등이 유지된 이온 교환막 전해조를 얻을 수 있다.

금속제 탄성체를 사용하는 탄성 쿠션재의 조립은, 전해조 밖에서의 작업이므로, 용이하게 행할 수 있고, 얻어진 탄성 쿠션재는, 전해조 조립 시에, 전해조 내의 대상 전극과 장착된 집전체를 전기적으로 접속하도록 장착하면 된다. 이 장착시에도 탄성 쿠션재 자체는 내식성 프레임의 강도에 의해 조립에 지장을 줄 정도로는 변형되지 않으므로, 소정 개소에 용이하게 설치할 수 있다. 본 발명에 있어서는, 통상, 전기는 접촉 통전 방식으로 흐르는 것으로 한다.

본 발명의 이온 교환막 전해조는, 이온 교환막에 의해, 양극 및 양극 격벽을 가지는 양극실과, 강성 음극 및 음극 격벽을 가지는 음극실로 구획되고, 강성 음극이 음극 격벽에 접합된 복수의 V자 스프링에 의해 지지되어 이루어지는 이온 교환막 전해조의 개량에 관한 것이며, 전술한 구성을 만족시키는 것만이 중요하며, 그 이외의 구조에 대해서는, 종래부터 사용되고 있는 구조를 적절하게 사용할 수 있고, 특별히 제한은 없다.

예를 들면, 가요성 음극(6, 16, 26)에 대해서는, 금속제 탄성체(5, 15, 25) 또는 탄성 쿠션재에 의해 압압되어 이온 교환막(7, 17, 27)에 접촉하는 것이면 특별히 제한은 없으며, 통상, 전해용으로 사용되는 것이면, 어떠한 것도 사용할 수 있지만, 촉매 피막이 얇아도 고활성이면서, 또한 피막 표면이 평활하며, 이온 교환막을 기계적으로 손상시키지 않는, Ru-La-Pt계, Ru-Ce계, Pt-Ce계, 및 Pt-Ni계로 이루어지는 군으로부터 선택되는 열분해형 활성 음극인 것이 바람직하다.

실시예

이하에서, 실시예를 사용하여 본 발명를 더욱 상세하게 설명한다.

<실시예 1>

이온 교환막에 의해, 강성 양극 및 양극 격벽을 가지는 양극실과, 강성 음극 및 음극 격벽을 가지는 음극실로 구획되고, 강성 음극이 음극 격벽에 접합된 복수의 V자 스프링에 의해 지지되어 이루어지는 기존의 이온 교환막 전해조(크로린엔지니아즈 가부시키가이샤 제조: BiTAC(등록상표))의 V자 스프링의 개구측 단부 근방에, SUS310S로 이루어지는 직경 3.0 ㎜의 봉형체에 도전성 메쉬를 용접한 것을 도전성 부재로서 배치하였다. 그 후, 인접하는 V자 스프링 사이로부터 보이는 도전성 부재와 음극 메쉬를 티그 용접에 의해 고정하였다.

선 직경 0.17 ㎜, 인장 강도 620∼680 N/m²의 니켈선(NW2201)을 롤 가공에 의해 폭이 약 0.5 ㎜인 코일 선을 제작하였다. 얻어진 코일 선을 사용하여, 코일의 권취 직경이 약 6 ㎜인 금속제 코일체를 제작하였다. 이 금속제 코일체를, 직경 1.2 ㎜의 니켈 환봉제 프레임(내식성 프레임)에 권취하여 직육면체형으로 형상을 다듬어 개략적인 사이즈가 두께 10 ㎜×폭 110 ㎜×길이 350 ㎜인 탄성 쿠션재를 제작하였다. 이 탄성 쿠션재의 코일 선밀도는 약 7 g/dm²이었다. 얻어진 탄성 쿠션재를, 강성 음극과 가요성 음극의 사이에 탄성 쿠션재에 탄성이 생기도록 삽입하고, 전류 밀도 4 kA/m²로 30일간 전해를 행하였다.

그리고, 양극으로서는, 페르멜렉(Permelec) 전극 가부시키가이샤에서 제조한 치수 안정성 전극을, 가요성 음극으로서는, 니켈제 마이크로 메쉬 기재(基材)의 활성 음극을, 강성 음극로서는, 니켈제 익스펜디드메탈을 사용하였다. 양극 및 음극의 반응면의 사이즈는 각각 폭 110 ㎜, 높이 1400 ㎜로 하였다. 이온 교환막은 아사히 유리 가부시키가이샤에서 제조한 FlemionF-8020을 사용하였다.

<실시예 2>

V자 스프링의 개구측의 단부 근방에 도전성 부재를 배치하지 않고, 강성 음극의 V자 스프링 접촉부 이외를, 망치를 사용하여 오목하게 하여 오목부를 형성하고, 이 오목부를 음극 격벽에 접촉시켰다. 그 후, 이 접촉부를 티그 용접에 의해 고정하였다. 그 외는, 실시예 1과 동일한 수순으로 전해를 행하였다.

<실시예 3>

V자 스프링을 완전히 눌러서 찌부러뜨리고, 그 위에 권취 직경이 8 ㎜인 금속제 코일체 및 가요성 음극을, 순차적으로 중첩하여 배치한 점 이외에는 실시예와 동일한 수순으로 전해를 행하였다.

<종래예>

크로린엔지니아즈 가부시키가이샤에서 제조한 BiTAC(등록상표)을 사용하여 통상대로 전해를 행하였다.

실시예 1∼3 및 종래예의 전해조의 V자 스프링의 양단에 도선을 용접하고, 그 전위차를 디지털 볼트 미터로 측정하였다. 도 10의 (a)∼(d)는, 실시예 1∼3 및 종래예의 전해조의 V자 스프링 근방의 확대도이며, (a)는 실시예 1, (b)는 실시예 2, (c)는 실시예 3, (d)는 종래예이다. 또한, 도면 중의 w는 도선의 용접 위치이다.

전위차를 측정한 결과는, 종래예는 25 mV였다. 이에 비해, 실시예 1은 13 mV, 실시예 2는 10 mV, 실시예 3은 7 mV이며, 모두 종래예와 비교하여, 전압이 저감되어 있는 것을 확인할 수 있었다.

1, 11, 21, 31: 양극실
1a, 11a, 21a, 31a: 강성 양극
1b, 11b, 21b, 31b: 양극 격벽
2, 12, 22, 32: 음극실
2a, 12a, 22a, 32a: 강성 음극
2b, 12b, 22b, 32b: 음극 격벽
3, 13, 23, 33 V자: 스프링
4: 도전성 부재
4a: 금속제 봉형체
4b: 도전성 메쉬
5, 15, 25: 금속제 탄성체
6, 16, 26: 가요성 음극
7, 17, 27, 37: 이온 교환막
18: 오목부
10, 20, 30, 40: 전해조 유닛
50: 내식성 프레임
51: 직사각형 프레임
52: 보강간
53: 탄성 쿠션재
54: 금속제 탄성체
60: 평판 스프링형체
60a: 선단부
61: 평판 스프링형체 유지부

Claims

이온 교환막에 의해, 강성(剛性) 양극 및 양극 격벽을 가지는 양극실과, 강성 음극 및 음극 격벽을 가지는 음극실로 구획되고, 상기 강성 음극과 상기 음극 격벽이 복수의 V자 스프링을 통하여 접합되어 이루어지는 이온 교환막 전해조에 있어서,
상기 V자 스프링의 개구측의 단부(端部) 근방에 도전성 부재가 배치되고, 상기 V자 스프링이 압축되는 것에 의해, 상기 V자 스프링과 상기 도전성 부재가 전기적으로 접속되어 이루어지는, 이온 교환막 전해조.
제1항에 있어서,
상기 도전성 부재가 탄성을 가지는, 이온 교환막 전해조.
이온 교환막에 의해, 강성 양극 및 양극 격벽을 가지는 양극실과, 강성 음극 및 음극 격벽을 가지는 음극실로 구획되고, 상기 강성 음극과 상기 음극 격벽이 복수의 V자 스프링을 통하여 접합되어 이루어지는 이온 교환막 전해조에 있어서,
상기 복수의 V자 스프링과 접합하고 있지 않은 강성 음극의 영역에, 음극 격벽 방향을 향해 오목부가 형성되고, 상기 오목부와 상기 음극 격벽이 전기적으로 접속되어 이루어지는, 이온 교환막 전해조.
이온 교환막에 의해, 강성 양극 및 양극 격벽을 가지는 양극실과, 강성 음극 및 음극 격벽을 가지는 음극실로 구획되고, 상기 강성 음극과 상기 음극 격벽이 복수의 V자 스프링을 통하여 접합되어 이루어지는 이온 교환막 전해조에 있어서,
상기 V자 스프링이 압축되는 것에 의해, 상기 V자 스프링의 개구측의 단부끼리 전기적으로 접속되어 이루어지는, 이온 교환막 전해조.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강성 음극의 V자 스프링 접합면의 반대면에, 금속제 탄성체와 가요성(可撓性) 음극이 중첩되어 배치되어 이루어지는, 이온 교환막 전해조.
제5항에 있어서,
상기 금속제 탄성체가, 내식성(耐蝕性) 프레임에 금속제 탄성체를 권취하여 이루어지는 탄성 쿠션재인, 이온 교환막 전해조.
제5항에 있어서,
상기 금속제 탄성체가 금속제 코일체인, 이온 교환막 전해조
제5항에 있어서,
상기 금속제 탄성체가, 평판 스프링형체 유지 부재로부터 경사지게 연장되는 복수 쌍의 빗살형(comb-shaped) 평판 스프링형체인, 이온 교환막 전해조.