KR20150034246A - 전해 전지용 코너 확장 조인트를 가진 절연 프레임 - Google Patents

Abstract

코너들이 있는 기하학적 형태를 가진 전해 전지용 절연 프레임이 제시되고, 상기 절연 프레임은 평평하게 디자인되고 애노드 및 캐소드 측면뿐만 아니라 외부 및 내부 단부면을 갖고, 상기 절연 프레임이 상기 내부 단부면과 직접 인접하는 에지 영역을 갖고 또한 상기 코너들의 영역에서 상기 에지 영역이 커트-아웃 형태의 코너 확장 조인트들을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

전해 전지용 코너 확장 조인트를 가진 절연 프레임{INSULATING FRAME WITH CORNER EXPANSION JOINTS FOR ELECTROLYSIS CELLS}

본 발명은 전해 전지용 절연 프레임에 관한 것이고, 절연 프레임이 코너들에 코너 확장 조인트들을 가진 내부 에지 영역을 갖는 것을 특징으로 한다. 코너 확장 조인트들의 디자인은 조인트들이 절연 프레임의 선형 확장을 보상할 수 있도록 한다. 또한 본 발명은 상기 절연 프레임이 구비된 전해 전지를 포함한다.

원소 염소, 수소 및/또는 수산화나트륨의 생성을 위한 전해 전지가 알려져 있고 이전 기술에서 폭 넓게 설명되어 있다. 종래의 이전 기술에서, 산업에서 넓게 사용되는 2개의 디자인 유형들이 대부분 설명된다. 2개의 유형들 중 하나는 필터 프레스 유형이고 다른 하나의 유형은 직렬로 전기 연결되는 단일 전지들로 구성된 소위 "단일 전지 요소들"이다.

예를 들어, DE 10249508 A1호(Uhde) 또는 DE 102004028761 A1호(Uhdenora)에 설명되는, 단일 전지 요소들의 유형의 이 전해 전지들은 캐소드 또는 애노드를 각각 포함하는 특히 캐소드 및 애노드 구획 쉘로 구성된다. 플랜지들 사이에 유지되는 이온 교환 막은 전극들 사이에 위치된다. 상기의 이전 기술에서 설명된 바와 같이, 절연 프레임은 설치된 상태에서 막이 캐소드 구획 쉘의 플랜지의 표면과 절연 프레임의 표면 사이에서 꺾쇠 고정되고 따라서 제자리에 고정되도록 막과 애노드 구획 쉘의 플랜지 사이에 배열된다.

또한 DE 102006020374 A1호(Uhdenora)로부터, 전해 전지용 절연 프레임이 공지된다. 절연 프레임은 에지 영역이 미세 구조를 갖고, 예를 들어, 미세한 노브들의 형태인 것을 특징으로 한다. 이것은 탈수에 대해 막을 보호하는 액체 필름의 존재를 보장한다.

절연 프레임은 또한 전해 전지의 작동 동안 사용되는 막을 애노드 구획 쉘의 금속 표면들로부터 떨어지게 유지하는 역할을 한다. 여기서 애노드 구획 쉘로부터 플랜지로의 전이 영역은 플랜지가 단락 전류 또는 막 손상을 야기하는 막에 대한 접촉을 방지해야하기 때문에 특히 중요하다. 이를 방해하기 위해서, 절연 프레임은 약간 크게 크기 설정되고 전해 전지의 내부로 수 밀리미터 돌출하고 또한 구획 쉘의 인접한 금속 표면들로부터 막을 떨어지게 유지하는 에지 영역을 구비한다.

그러나, 전해 전지의 작동 동안 금속성 물질의 온도-유발된 신장이 발생할 수 있다는 단점을 갖는다. 절연 프레임의 비틀림의 경우에, 막 손상의 위험이 있다. 이것은 차례대로 전해 전지의 정지 및 막의 교체를 야기할 수도 있다. 그러나, 긴 막의 사용 수명은 전기 분해 공정의 비용 효율성과 직접 관련된다.

따라서 본 발명의 목적은 가능한 변형이 바람직하게는 막으로부터 멀어지게 향하는 에지 영역에서 발생하도록 그리고 특히 프레임 에지의 코너들에서 막의 손상을 회피하기 위한 이러한 방식으로 전해 전지의 작동 동안 발생하는 변형력을 보상하고 그리고/또는 편향시키도록 특히 설계되고 또한 상술된 이전 기술의 단점을 확실하게 회피하는 전해 전지용 절연 프레임을 제공하는 것으로 구성된다.

본 발명의 제 1 주제는 코너들이 있는 기하학적 형태를 가진 전해 전지용 절연 프레임에 관한 것이고, 상기 절연 프레임은 평평하게 디자인되고 애노드 및 캐소드 측면뿐만 아니라 외부 및 내부 단부면을 갖고, 상기 절연 프레임이 상기 내부 단부면과 직접 인접하는 에지 영역을 갖고 또한 상기 에지 영역이 커트-아웃 형태의 코너 확장 조인트들을 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 커트-아웃은 상기 절연 프레임의 선형 확장을 보상하도록 디자인된다.

놀랍게도, 본 발명에 따른 장치가 상술된 목적을 완전히 충족시킨다는 것을 알아내었다. 코너 확장 조인트들은 막 상에 가해진 기계적 압력의 경우에 이 힘을 흡수하고 편향시키는 물질 커트 아웃들로 구성된다. 바람직하게 절연 프레임 내의 확장 조인트들은 막으로부터 멀어지게 향하도록 배열된다. 이것은 또한 프레임 변형이 항상 추가의 보호를 제공하는 막으로부터 떨어져서 발생한다는 것을 보장한다. 따라서 본 발명에 따른 절연 프레임은 전기 분해 플랜트의 작동 동안 발생하는 변형 및 버클링과 관련된 문제들을 감소시키고, 막 손상의 위험을 감소시키고 따라서 막의 사용 수명을 상당히 연장한다.

제 1 바람직한 실시예에서 에지 영역은 연속적으로 그리고 내부 단부면의 원주를 따른 갭들 없이 배열된다.

본 발명에 따른 절연 프레임의 추가의 유리한 실시예에서, 에지 영역은 완전히 또는 부분적으로 덮인다면, 전해질에 의해 통과될 수 있는 이러한 구조이고, 상기 에지 영역은 이상적으로 미세 구조 면을 가진다.

절연 프레임의 프레임 영역의 이 실시예는 균열과 같은 추가의 손상에 대해 막을 보호하기 위해서, DE 102006020374 A1호에 설명된 바와 같이 유리하다. 프레임 영역이 미세 구조로 제공되지 않는다면, 이는 다음의 시나리오를 초래한다: 캐소드 구획 내의 압력이 애노드 구획 내의 압력보다 높기 때문에, 막은 애노드 구획을 향해 굽어지고 그리고/또는 프레임의 지지되지 않는 부분이 눌려지고 접촉 영역 내의 하나의 측면으로부터 습윤된다. 애노드 측면 상의 커버 때문에, 하이그로스코픽(hygroscopic) 가성소다는 이 영역 내의 막을 탈수시키고, 이 탈수는 나중에 거품 형성, 막 층들의 박리 및/또는 균열을 야기하는 카르복시기 층 내의 염들의 비례 석출에 의해 수반된다. 이러한 손상은 염소 이온이 손상된 에지 영역을 따라 캐소드 구획에 확산하여 진입할 수 있기 때문에, 육안으로 부분적으로 볼 수 있거나 또는 가성소다 내의 증가된 Cl^- 농도 때문에 형성될 수 있다.

이 목적을 위해 캐소드 측면 상의 에지 영역은 유리하게 복수의 융기부들이 배열되는 플레터(flatter) 단계의 형성을 가진다. 이 융기부들은 임의의 형태를 가질 수 있지만, 바람직하게는 융기부들은 물질에서 원통형 또는 반구형 융기부들의 형태를 가진다. 또한, 에지 영역은 웨이브(wave) 또는 티스(teeth) 형태의 연속적인 융기부들 및 만입부들의 형태를 가질 수 있다. 구조는 웨이브 또는 티스가 프레임의 중앙을 향해 개방되도록, 애노드 액이 애노드 구획 내로 유동하거나 또는 애노드 구획으로부터 확산하여 진입하고 그리고/또는 나중에 이 영역의 외부로 유동하도록 취해진다. 개선된 실시예에서, 웨이브 또는 티스는 애노드 액의 유입 및 유출을 개선하는 복수의 작은 개구들을 가진다. 이 개구들은 구멍들의 형태, 채널 형태의 커트-아웃들 또는 다른 기하학적 형태들을 가질 수 있다.

따라서 미세 구조면은 탈수에 대해, 즉, 화학적 손상에 대해 막을 보호하는 역할을 한다. 그러나, 미세 구조면은 미세 구조체가 이 목적을 위해 너무 단단하기 때문에 변형력을 편향시키는 것과 관련하여 어떠한 기능도 없다.

본 발명에 따른 절연 프레임의 형성된 에지 영역의 추가의 개선은 절연 프레임을 완전히 관통하는 복수의 작은 개구들, 보어들 또는 구멍들을 가진 에지 영역으로 구성된다. 이 개구들은 채널들을 통해 서로 연결되고, 절연 프레임의 표면에 삽입된다. 바람직하게 이 채널들은 막의 먼 측면 상에, 즉, 애노드 측면 상에 위치된다. 이 실시예는 개구들을 서로 연결하고 그리고/또는 내부 단부면을 향해 또는 내부 단부면으로부터 떨어져서 향하는 채널들이 절연 프레임의 표면들 둘 다에 삽입된다는 점에서 개선될 수 있다. 쌍방의 채널 구조는 애노드 액의 유입 및 유출을 향상시킨다.

본 발명의 유리한 실시예에서, 코너들의 영역 내에 에지 영역은 형성되지 않는다. 바람직하게 에지 영역은 각각의 코너에 1 내지 10개의 코너 확장 조인트들, 바람직하게는 각각 3 내지 5개의 코너 확장 조인트들 및 가장 바람직하게는 각각 3개의 코너 확장 조인트들을 포함한다. 추가의 바람직한 실시예에서, 코너 확장 조인트들 중 하나는 각각 에지 영역의 코너에 직접 그리고 절연 프레임의 외부 단부면에 대해 지정된 각으로 위치된다.

대안으로서, 본 발명은 절연 프레임의 외부 단부면에 대해 직각으로 배열된 코너 확장 조인트들을 제공한다.

본 발명에 따르면, 코너 확장 조인트들이 위치되는 코너 영역들의 치수는 1.5 내지 10cm, 바람직하게는 3 내지 6cm이다.

바람직하게 코너 확장 조인트들은 반구형 또는 반원통형 커트-아웃들로서 형성된다.

본 발명은 또한 전지 구획 쉘들 둘 다를 밀봉하고 그리고/또는 막을 체결하기 위해 설명된 실시예들 중 하나에서 본 발명에 따른 절연 프레임을 구비하고 또한 막에 의해 물리적으로 분리된 애노드 구획 쉘 및 캐소드 구획 쉘을 가진 전해 전지를 포함한다.

본 발명은 일부 도면들을 사용하여 아래에 더 상세히 설명된다.

도 1은 종래 기술에 따른 개략도에서의 전해 전지의 플랜지 영역.
도 2는 본 발명에 따른 절연 프레임의 코너의 부분의 상면도.

도 1에서 전해 전지의 플랜지 영역의 아래가 단면도로 도시되어 있다. 막(1)은 애노드 구획 쉘(2) 및 캐소드 구획 쉘(3)의 양쪽 플랜지의 절반부들 사이에 꺾쇠 고정되고, 절연 프레임(4)은 애노드 구획 쉘(2) 및 막(1) 사이에 배열된다. 정상적으로 설치될 때, 절연 프레임(4)의 지지되지 않는 부분(5)은 전해 전지의 내부로 돌출한다. 캐소드 구획(6) 내의 압력이 애노드 구획(7) 내의 압력을 약 20-40 mbar만큼 초과할 때, 막(1)은 프레임(1)의 지지되지 않은 부분 상에서 눌려진다.

이 눌러짐으로부터 초래되는 가능한 막 손상을 방지하는 관점을 가진 예시적인 방식에서, 에지 영역(8)은 애노드 구획(7)을 향하는 막 측면을 완전히 덮지 않고서 막(1)을 지지하는 반구 형태인 복수의 노브들(9)을 구비한다. 그러나, 본 발명의 목적은 또한 에지 영역(8)이 미세 구조면을 갖지 않을 경우 달성된다. 예시적인 실시예에서, 절연 프레임(4) 및 계단형 에지(10)는 계단형 에지(10)가 구획 쉘들 둘 다의 플랜지 영역에 있도록 배치된다. 설치된 위치에서, 막(1)은 따라서 계단형 에지(10)에서 규정된 방식으로 압착되고 두 개의 측면들 상에서 정지된다. 작동 동안, 절연 프레임의 선형 확장은 막 손상을 야기하는 전해 전지들의 코너들의 영역에서 발생한다. 본 발명은 본 발명에 따른 절연 프레임을 제공하여 이 문제를 해결하도록 노력한다.

도 2는 이 예에서, 반원통형 형태를 가진 3개의 코너 확장 조인트들(1)을 가진 하나의 실시예에서 본 발명에 따른 절연 프레임(4)의 코너의 부분의 상면도를 도시한다. 3개의 코너 확장 조인트들의 중앙은 절연 프레임의 외부 단부면에 대해 지정된 각으로 에지 영역의 코너에 직접 배치된다. 도면에서, 복수의 개구들(14)을 가진 에지 영역(8)은 외부 단부면(13) 및 내부 단부면(12) 사이에 도시된다. 에지 영역(8) 외부에서, 도면에 도시되지 않은 플랜지를 폐쇄하기 위해 사용되는 도면에 또한 도시되지 않은 볼트들을 조이기 위한 통로의 역할을 하는 더 큰 개구들(15)이 도시된다. 도면에 도시된 코너 확장 조인트들(11)의 배열 때문에, 막은 막이 전해 전지의 작동 동안 확장할 때 절연 프레임(4)에 의해 더 이상 손상되지 않을 수 있다. 절연 프레임(4)의 선형 확장은 프레임이 더 이상 버클로 체결되지 않고 따라서 더 이상 막을 손상시키지 않도록 코너 확장 조인트들에 의해 보상된다.

Claims (13)

1. 코너들이 있는 기하학적 형태를 가진 전해 전지용 절연 프레임으로서, 상기 절연 프레임은 평평하게 디자인되고 애노드 및 캐소드 측면뿐만 아니라 외부 및 내부 단부면을 갖고, 상기 내부 단부면과 직접 인접하는 에지 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 상기 절연 프레임에 있어서,
   상기 에지 영역은 커트-아웃 형태의 코너 확장 조인트들을 갖는 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 에지 영역은, 완전히 또는 부분적으로 덮인다면, 전해질에 의해 통과될 수 있는 이러한 구조인 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 에지 영역은 미세 구조면을 갖는 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 에지 영역은 상기 코너들의 상기 영역들에서 구조화되지 않은 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 에지 영역은 웨이브(wave) 또는 티스(teeth) 형태의 연속적인 융기부들 및 만입부들의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에지 영역은 각각의 코너에 1 내지 10개의 코너 확장 조인트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 에지 영역은 각각의 코너에 3 내지 5개의 코너 확장 조인트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코너 확장 조인트들 중 하나는 각각 상기 에지 영역의 상기 코너에 직접 그리고 상기 절연 프레임의 상기 외부 단부면에 대해 지정된 각으로 위치되는 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코너 확장 조인트들은 상기 절연 프레임의 상기 외부 단부면에 대해 직각으로 배열되는 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코너 확장 조인트들이 위치되는 상기 코너 영역들의 치수는 1.5 내지 10cm인 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 코너 확장 조인트들이 위치되는 상기 코너 영역들의 치수는 3 내지 6cm인 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코너 확장 조인트들은 반구형 또는 반원통형 커트-아웃들의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 절연 프레임.
13. 애노드 구획 쉘 및 캐소드 구획 쉘을 포함하는 전해 전지로서, 막에 의해 물리적으로 분리되고 또한 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 따른 절연 프레임이 구비되는 전해 전지.

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