KR20150070293A - 알카리 용액의 전해 전지 - Google Patents

알카리 용액의 전해 전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20150070293A
KR20150070293A KR1020157012526A KR20157012526A KR20150070293A KR 20150070293 A KR20150070293 A KR 20150070293A KR 1020157012526 A KR1020157012526 A KR 1020157012526A KR 20157012526 A KR20157012526 A KR 20157012526A KR 20150070293 A KR20150070293 A KR 20150070293A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cathode
anode
compartment
electrolyte
membrane
Prior art date
Application number
KR1020157012526A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102212534B1 (ko
Inventor
루시아노 이아코페티
안토니오 로렌조 안토지
Original Assignee
인두스트리에 데 노라 에스.피.에이.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인두스트리에 데 노라 에스.피.에이. filed Critical 인두스트리에 데 노라 에스.피.에이.
Publication of KR20150070293A publication Critical patent/KR20150070293A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102212534B1 publication Critical patent/KR102212534B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • C25B11/035—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C25B1/10—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031—Porous electrodes
    • C25B9/10—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
    • Y02E60/366—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)

Abstract

본 발명은 이온 교환막에 의해서 알카리 전해질이 순환되는 양극 격실과 가스 챔버로 구성되는 음극 격실로 분할된 알카리 용액의 전해 전지에 관한 것이다. 상기 음극 격실은 가스 확산 음극을 수용하고, 그 내부는 양극 격실로부터 나오는 전해질 필름이 여과된다.

Description

알카리 용액의 전해 전지{ELECTROLYSIS CELL OF ALKALI SOLUTIONS}
본 발명은 특히 가성 소다를 갖는 전기화학 전지 또는 수소의 음극 제조와 산소의 양극 제조를 갖는 칼리 전해 전지(potash electrolysis cell)에 관한 것이다.
수용액의 전해에 의한 수소와 산소의 제조는 당기술에서 널리 공지되어 있다. 산성 용액 또는 알카리성 용액의 전해에 기초하는 기술은 과거에 사용되었으며, 이는 전해질의 적은 침해로 인하여 대체로 양호해서, 그 제조를 위해 폭넓은 금속 재료의 선택을 가능하게 한다. 가성 소다 또는 칼리와 같은 알카리 용액의 전해는 산업적 규모의 70년 이후로 대기압에서 반투과성 격판으로 분할된 전지에서 실행되었다. 널리 알려진 바와 같이, 일반적으로 사용된 격판들은 공정 조건의 관점에서 심각한 제한을 나타내었고, 예를 들어 3 kA/m2 초과의 고전류 밀도 작동과 안전 조건에서 가압 작동에 적합하지 않다. 또한, 공정의 단순화를 위하여, 음극 반응의 영향 하에서 pH가 증가하는, 음극 격실의 출구에 있는 전해질은 pH가 반대로 전지로 재순환되기 전에 감소하는 양극 격실의 출구에 있는 전해질과 혼합되어야 한다. 상기 2개의 출구에서 용해된 수소와 산소는 비록 제한된 양이지만 결국 혼합되고, 그에 의해서 최종 생성물의 순수성은 희석된다: 상업적 관점에서 이는 수소 생산을 위하여 특히 심각한 것으로 고려된다.
이러한 제한사항을 극복하려는 시도에서, 순수 물을 전해할 수 있는 "PEM" 또는 "SPE"[각각 "양성자 교환막(Proton Exchange Membrane)" 또는 "고형 중합체 전해질(Solid Polymer Electrolyte)"]로 호칭되는 전해 전지의 발생은 가스 챔버들로 이루어지는 2개의 격실들을 분리시키기 위하여 2개의 면에서 적당하게 촉매화된, 이온 교환막의 사용에 기초하여 차후에 개발되었다; 이온 교환막은 사실 수 바아(bar)의 압력차를 견딜 수 있고 극단적인 경우에 약 25 kA/m2 에 이르는 상당히 높은 전류 밀도에서 작동할 수 있다. 또한, PEM/SPE 전지들은 특히 제조 허용오차를 보상하고 국부적인 전기적 연속성을 유지할 수 있는 고전도성의 전해질의 부재 상태에서 대형 전지를 설계할 때 관련되는 일부 중요한 결점을 나타낸다. 이러한 이유로 인하여, 이러한 종류의 기술에서 설치될 수 있는 최대 전력은 수 kW 정도라는 것이 일반적으로 고려된다.
따라서, 고순도의 제조물과 대규모의 고밀도 전류로 작동할 수 있는 능력을 결합하는, 종래 기술의 제한사항을 극복하는 수소와 산소의 제조를 위한 전해 기술을 제공할 필요성이 인식되었다.
본 발명의 여러 형태들은 첨부된 청구범위에 기술된다.
한 형태에서, 본 발명은 이온 교환막에 의해서 양극 격실과 음극 격실로 분할된 알카리 용액의 전해용 전지에 관한 것으로서, 상기 양극 격실은 양극 벽과 상기 막에 의해서 한정된, 통상적으로 가성 소다 또는 칼리인 알카리 전해질이 공급되는 액체 챔버로 구성되고, 상기 양극 격실은 산소 방출에 적합한 양극을 수용하고, 상기 음극 격실은 음극 벽과 상기 막에 의해서 한정된 가스 챔버로 구성되고 가스 확산 음극을 수용하고, 상기 가스 확산 음극은 수소 방출을 위한 촉매로 활성화된 양호하게는 친수성 층을 통해서 상기 막과 밀착 접촉한다. 상기 가스 확산 음극 내부에서, 전해질 필름은 상기 양극 격실 여과로부터 나온다. 본원에서, 용어 액체 챔버는 실질적으로 액상의 전해질로 충전되는 격실을 지시하는데 사용되고 가스 챔버는 실질적으로 가스 즉 반응에 의해서 생성된 수소로 충전된 격실을 지시하는데 사용되며, 액상은 액체 챔버로부터 막을 가로질러 투과되고 음극 구조를 따라 여과되는 얇은 전해질 필름으로 또는 가스상 내부의 격리된 방울의 형태로만 제공된다. 가스 확산 음극은 대체로 탄소 또는 메탈 클로스(metal cloth), 소결된 금속, 탄소 용지(carbon paper)로부터 얻어진 그리고 유사하게는 대체로 금속 또는 탄소 분말의 혼합물 및 중합체 결합제들로 구성되는 하나 이상의 확산층들을 구비하는, 가스 운송에 적합한 다공성 층을 구비한 전극을 의미하며, 선택적으로 소결된; 그러한 층 또는 그들의 일부는 적당하게는 촉매화될 수 있다. 이러한 종류의 전극들은 예를 들어 연료 전지에서 또는 감극된 전해 전지에서 산소 환원 또는 수소 산화를 달성하기 위하여, 일반적으로 가스 반응물이 공급되지만, 본 발명의 본문에서, 음극 수소 방출을 달성하기 위하여 알카리 전해질이 공급되는 가스 확산 음극의 우수한 기능을 획득할 수 있는 방법에 대해서 고찰하였다. 가스 확산 음극 내부의 전해질 필름의 효과적인 여과는 충분한 친수성 특징을 갖는 적어도 하나의 확산층에 의해서 보장된다. 확산층의 친수성 또는 소수성 정도는 당기술에서 알려진 바와 같이, 친수성 구성요소[예를 들어 탄소 또는 금속 분말] 대 소수성 구성요소[예를 들어 중합체 결합제들]의 비율에 작용함으로써 조정될 수 있고; 전극층들의 친수성을 조정하기 위하여 다른 탄소 분말들의 적당한 선택이 또한 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 전지에서, 전해질은 양극 격실에서만 적당한 공급 및 방출 수단에 의해서 순환되고, 상기 양극 격실 내부에서 예를 들어, 스피넬(spinel) 또는 페브로스카이트(perovskite) 집단에 속하는 금속 산화물 기반 촉매를 수용하는 필름으로 코팅된 일반적으로 니켈 기판으로 구성되는, 산소의 전해질 방출을 위한 양극이 제공된다. 음극 격실은 액상 전해질의 순환에는 관련되지 않는다. 단지 하나의 격실에서만 액체 전해질을 순환시키면, pH를 조정하기 위하여 전지 출구에서 음극액과 양극액의 재혼합을 필요로 하지 않으며, 전지와 시스템 공학의 확실한 단순화 이외에도 순수한 가스 생성물의 순도에 중요한 영향을 미치는 장점을 가진다. 다른 장점은 양자 격실들에서 전해질 순환을 갖는 종래 기술의 전지에서 시스템 공학 관점에서 과도하게 복잡하게 하는, 임의의 특정한 부식 문제점을 동반하지 않고 알카리 전해질을 양이온 교환막에 결합시킴으로써, 전체 전해 공정에서 물의 전해를 달성할 가능성이 있다. 알카리 용액의 전해질에서 절대적으로 이례적인, 분리기로서 양이온 교환막을 사용하는 것은 비록 압력 조건에서도 더욱 강화된 가스 분리를 동반하여, 한 격실과 다른 격실 사이의 상당한 압력차와 함께 작동할 수 있게 하고 이는 전체 효율의 최적화에 기여한다. 단일 격실에서 액체 전해질 순환의 시스템 공학에서의 긍정적 영향 중에서, 단지 양극에서 작용함으로써 실행될 수 있는, 음극 측에서 표류 전류(stray current)의 실질적인 제거[방출되는 수소는 불연속적 모드에서 방출되는 액상으로부터 실질적적으로 분리됨]와 단순화된 열 조절이 언급될 수 있으며, 이는 당업자에게 자명한 사실이다. 한편, 본 발명에 따른 전지는 또한 PEM/SPE 유형 전지에 대해서 확실한 장점을 제공하는데, 이는 고전도성 액체 전해질의 제공으로 인하여 구성적 허용오차가 작은 상태에서 작동할 수 있게 하여서, 국부적인 전기 접촉이 더욱 중요한 영역을 보상하기 때문이다.
일 실시예에서, 가스 확산 음극은 가스 생성물의 방출을 지지하기에 적합한 외부 소수성 층 및 막과 직접 접촉하는 촉매화된 친수성 층을 구비한다. 이는 질량체 운송 현상을 개선하여서, 액체 전해질이 촉매 위치로 용이하게 접근하게 하고 가스 챔버의 내부에 대한 전해질 방출의 누설을 최소화하면서, 가스에 양호한 출구 경로를 제공하는 장점을 가질 수 있다. 소수성 층은 또한 비촉매화될 수 있다. 일 실시예에서, 가스 확산 음극은 백금 함유 촉매에 의해서 적어도 친수성 층에서 활성화된다. 백금은 활동성 및 안정성의 관점에서 알카리 용액으로부터 음극 수소 방출에 특히 적합하고, 팔라듐, 로듐 또는 이리듐과 같은 다른 원소에 기초하여 촉매를 사용할 수 있다.
일 실시예에서, 이온 교환막은 연료 전지 적용을 위해서 일반적으로 사용되는 유형의 비보강된 단분자층 설폰막(non-reinforced monolayer sulphonic membrane)이다. 발명자들은 비보강된 막들이 비록 두께가 감소해도, 적당한 기계적 설계에 의해서 적절하게 지지된다면, 알카리 전해질과 함께 작동할 때에서 지시된 공정 조건에서 높은 성능을 나타낸다는 것을 관찰하였다. 이는 알카리 전해질을 갖는 전형적인 산업적 적용의 내부 보강물로 설비된 단분자층 설폰막에 대한 비교적 저렴한 비용과 감소된 저항 강하를 특징으로 하는 유형의 막을 사용하는 것을 허용하고 상당히 높은 전지 접압을 유발하는 장점을 가진다. 유사한 장점은 종종 산업적 적용에서 사용된 양이온 교환막과 비교하여 관찰되고, 양극액과 음극액의 분리 관점에서 우수한 특성과 더욱 높은 전기 효율의 추가 장점을 가지며, 수소 생산의 순도에서 확실한 결과를 가진다.
일 실시예에서, 음극 및 음극 벽은 선택적으로 니켈 또는 스틸 포움(steel foam)인 다공성 금속 구조물로 구성되는 집전기에 의해서 전기 접촉한다. 이는 음극의 전체 표면을 따라 고밀도 분배 지점들에 의해서 전기 접촉을 이루는 장점을 가질 수 있고, 이는 탄소질 기판으로부터 얻어질 때 상당히 낮은 피상적 전도성을 가지며, 이러한 전도성의 결핍은 지지 전해질의 제공에 의해서 적절하게 보상되지 않고; 동시에, 이러한 종류의 집전 요소들은 감소된 기계적 부하에서 상당히 동일하게 분배된 기계적 지지력을 보장할 수 있어서, 2개의 전지 격실들 사이의 압력차의 조건에서도 이온 교환막의 보호에 기여한다.
일 실시예에서, 산소 방출을 위한 양극은 선택적으로 촉매 코팅에 의해서 활성화된 니켈 또는 스틸 메쉬 또는 팽창형 시트 또는 펀치형 시트로 제조된 기판으로 구성된다. 니켈과 스틸은 통상적으로 산업적 막 전해조의 음극 격실에 대해서 사용된 재료이고; 본 발명에 따른 전지 설계에 의해서 가능하게 제조된 전해질 조성물의 특정 조건은 양극 격실에 대해서도 사용될 수 있게 하여서, 전지 구성을 단순화 한다. 일 실시예에서, 산소 방출을 위한 양극은 양극 대 막 간극 내부에서 전해질에 관련된 저항 감소를 제거하기 위하여 막과 직접 접촉하게 배치된다.
일 실시예에서, 또한 산소 방출을 위한 양극은 음극 측에 대해서 배치된 집전기와 유사하게 선택적으로 니켈 또는 스틸 포움와 같은 다공성 금속 구조물로 구성되는 집전기에 의해서 적당한 양극 벽과 전기 접촉하여, 막/음극 패키지의 최적의 기계적 지지에 추가로 기여한다. 양극 집전기의 치수는 특히 다공성 및 접촉점들의 밀도 관점에서 음극 집전기와는 상이할 수 있는데, 이는 한편으로는 액체 전해질의 순환이 더욱 개방된 투과성 구조물에 의해서 지원되며 다른 한편으로는 이러한 전해질의 제공과 전극의 금속적 특성이 매우 조밀한 방식으로 배전 접촉부의 필요성을 감소시키기 때문이다. 상술한 집전기의 최적 치수는 막과 직접 접촉하게 양극을 배치할 수 있게 하여서, 펀칭의 위험성 또는 예를 들어 마모에 의한 손상 가능성을 상당히 제한하면서 양극을 적당한 방식으로 지지할 수 있게 한다.
다른 형태에서, 본 발명은 직렬 또는 병렬인 2극성 또는 단극성 구성에 따라서 양극 벽과 음극 벽을 통해서 전기 접속된 상술한 전지의 모듈형 배열로 구성되는 알카리 용액의 전해조에 관한 것이다.
또다른 형태에서, 본 발명은 대응하는 음극의 친수성 층의 내부에서 전해질 필름의 여과 상태에서, 가성 소다 또는 칼리와 같은 알카리 금속 수산화물 용액으로 구성되는 전해질을 상술한 전지의 양극 격실로 제공하는 단계; 음극 격실의 접속 시에 직접적인 전류를 정류기 또는 기타 직접적인 전원 공급부의 음극으로 공급하고 양극 격실의 접속 시에는 양극으로 공급하는 단계; 사전분리된 가스 형태로 전해질 여과 필름 상에 생성된 수소와 양극 격실로부터의 용해 산소를 함유하는 배기 전해질을 후퇴시키는 단계를 포함하는 전해질 공정에 관한 것이다.
일 실시예에서, 공정 전해질은 10 중량% 농도 내지 45중량% 농도, 더욱 양호하게는 15 중량% 농도 내지 35중량% 농도의 가성 소다의 수용액으로 구성된다. 이로 인하여 이온 교환막 통일성을 적절하게 유지하면서 최적의 공정 효율을 달성하는 장점을 가질 수 있다.
본 발명을 예시하는 일부 실행형태는 본 발명의 상기 특정 실행형태와 비교적 다른 요소의 상호 배열을 도시하는 것을 목적으로 하는, 첨부된 도면을 참조하여 하기 기술되며, 특히 요소들은 반드시 실척으로 된 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 전해 전지의 측단면도이다.
도 1은 이온 교환막(100)에 의해서 양극 격실과 음극 격실로 분할된 전해 전지의 측단면도를 도시하고; 상기 양극 격실은 양극 벽(200)에 의해서 측부 대향 막(100)에서 한정된 액체 챔버로 구성되고; 상기 양극 격실 내부에서, 메쉬 또는 다른 다공성 금속 구조물로 제조된 기판으로 구성되는 양극(300)은 최대한 수 mm 정도의 크기로 매우 작은 규정된 간극 만큼 막으로부터 이격되거나 또는 막(100)과 직접 접촉하게 제공된다. 양극(300)과 대응하는 양극 벽(200) 사이의 전기 접촉은 예를 들어 니켈 또는 스틸 포움 또는 매트와 같은 다공성 금속 구조물로 구성되는 양극 집전기(600)를 통해서 달성된다. 양극 격실에는 예를 들어 가성 소다 또는 칼리와 같은 공정 전해질의 공급 수단(400)과 방출 수단(401)이 설비되어 있다. 도면은 상부로부터의 전해질 공급부와 저부로부터의 방출부를 도시하며, 전지는 또한 전해질을 바닥에서 공급함으로써 작동될 수 있다. 양극 격실에서, 산소(500)는 전해질 상태 내에서 거품을 형태로 생성되고 방출된다. 음극 격실은 음극 벽(210)에 의해서 측부 대향 막(100)에서 한정된 가스 챔버로 구성되고; 가스 확산 음극(310)은 예를 들어, 고온 가압 또는 다른 공지된 기술에 의해서 막(100)과 밀착 접촉하게 배열된다. 가스 확산 음극(310)과 음극 벽(210) 사이의 전기 접촉은 양호하게는 니켈 또는 스틸 포움과 같은 다공성 금속 구조물로 구성되는 음극 집전기(610)를 통해서 달성된다. 음극 격실에는 전해질 순환을 위한 수단이 없고; 음극 생성물은 가스 확산 음극(310) 내에서 방출되고 따라서 액상으로부터 사전분리되어 배출된 수소(510)로 구성된다. 후자는 음극 격실의 저부 부분으로부터 작은 비연속적 유동(미도시)으로서 교대로 배출된다. 도시된 전지는 또한 양극 및 음극 벽들(미도시)의 주변부를 따라 분배된 예를 들어 타이 로드(tie-rod)와 같은 체결 수단과 가스켓 시스템(미도시)을 포함한다. 상술한 전지들이 전해조의 모듈형 요소들로서 사용되기에 어떻게 적합한지는 당업자에게 명확한 사실이다. 예를 들어, 전기 직렬로 접속된 전지들의 스택으로 구성되는 2극 구성인 전해조는 각각의 중간 전지 벽들이 당분야에서 널리 공지된 필터 프레스 디자인(filter-press design)에 따라서 하나의 전지의 양극 벽과 인접 전지의 음극 벽으로서 동시에 작용하도록 전지들을 조립함으로써 얻어질 수 있다.
하기 예들은 본 발명의 특정 실시예를 나타내도록 포함되고, 그 실용성은 대체로 청구된 범위값들에서 입증되었다. 당업자는 이하의 예들에 개시된 조성물 및 기술들은 본 발명의 실시에서 잘 작용하도록 본 발명자들에 의해서 발견된 조성물 및 기술을 나타낸다는 것을 이해해야 하지만; 당업자는 본원의 견지에서 개시된 특정 실시예에서 많은 변화가 이루어질 수 있고 본 발명의 범주 내에서 유사한 결과를 얻을 수 있다는 것을 이해해야 한다.
예
2개의 전해조들이 조립되며, 하나는 8개로 구성되고 다른 하나는 도면에 도시된 유형의 4개의 전지들로 구성되고 전기 직렬로 서로 접속되고 필터 프레스 2극성 구성으로 조립된 63㎠의 전극 면적을 가진다. 다른 전지 격실들을 제한하는 벽들은 니켈 시트에서 얻어진다. 양극 집전기로서의 2mm의 비압축 두께를 갖는 상호엮어지고 중첩된 와이어들의 4개의 층으로 제조된 니켈 매트와 음극 집전기로서의 1mm 두께의 니켈 포움이 사용되었다. 양극은 니켈 메쉬로 제조되고, 막과 밀착 접촉하여 조립된, 란탄 산화물, 코발트 및 니켈의 혼합물을 함유하는 촉매 층으로 활성화된다. 가스 확산 음극은 친수성 층으로 활성화된 탄소 클로스로 제조되고 상기 친수성 층은 0.5 mg/㎠의 전체 Pt 적재량에서 분무에 의하여 탄소 클로스에 증착된 DuPont의 Nafion® 설폰 과불소화 이오노모 분산액으로 침지된, 큰 표면적의 카본 블랙에 지지된 20중량%의 백금 기반 촉매로 구성된다. 친수성 층 상에는, 1:1 중량비로 작은 표면적의 카본 블랙 및 PTFE의 혼합물로부터 얻어진 측부 대향 막의 소수성 층이 분무에 의해서 증착된다. 가스 확산 음극은 DuPont에 의해서 제조된 단분자층 술폰 Nafion® 막 위에 놓여지고 전지 체결의 영향 하에서 냉간 프레스된다. 평형 조건에 빨리 도달하기 위하여, 본 발명자들은 미리 전지 조립체에 음극과 막을 열간 프레스하는 가능성을 입증하였다.
전해조들은 하나는 가성 칼륨(caustic potash)이고 다른 하나는 가성 소다로서 변화되고, 전해질 농도[최대 45중량%의 알카리], 전류 밀도[최대 9.5kA/m2] 및 음극 압력[1 내지 2 바아의 절대값]인, 3000 시간의 테스트 캠페인(test campaign)에서 작동된다. 모든 시험에서, PEM/SPE 순수 물의 전해조에 의해서 획득가능한 것과 비교되는 순수한 수소가 생성되었다. 전지 전압의 관점에서의 성능은 대기압과 적절한 전해질 농도에서 기대에 완벽하게 부합하였다: 대기압 조건에서 20% 가성 소다와 함께 작동함으로써, 1.95 V의 안정한 전압은 9.5 kA/m2에서 얻어졌다.
반대예
4개의 전지 전해조들은 가스 확산 음극을 5 g/m2 백금 갈바닉 코팅으로 활성화된 니켈 메쉬로 대체한 것을 제외하면 상술한 예중 하나와 유사하게 조립되고, 막과 밀착 접촉하게 조립된다. 상기 예의 테스트 캠페인은 단지 대기압에서만 반복 작동되는데, 이는 막의 2 면들과 접촉하는 2개의 금속 메쉬들을 갖는 전지들의 가압은 막의 통일성에 너무 해로운 것으로 고려되기 때문이다. 20% 가성 소다에서 작동함으로써, 2.34 V의 안정한 전압은 9.5 kA/m2에서 얻어졌다.
상술한 설명은 본 발명을 제한하는 것으로 의도된 것이 아니며, 본 발명의 범주 내에서 다른 실시예에 따라서 사용될 수 있고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정된다. 본원의 설명 및 청구범위에 걸쳐, 용어 "을 포함하다"와 "포함하는" 및 "들을 포함하다"과 같은 파생어는 다른 요소들, 구성요소들 또는 추가 공정 단계들의 존재를 배체하도록 의도된 것이 아니다.
문헌, 작용, 재료, 장치, 물품 등의 설명은 본 발명의 내용을 제공할 목적으로만 본 명세서에 포함된 것이다. 종래 기술에 기초하여 이전 부분의 일부 또는 모든 문제들은 본원의 우선일 이전에 본 발명과 관련된 분야에서 공통된 일반적인 지식으로 제안되거 또는 제시된 것이 아니다.

Claims (10)

  1. 이온 교환막에 의해서 양극 격실과 음극 격실로 분할된 알카리 용액들의 전해용 전지에 있어서,
    상기 양극 격실은 양극 벽과 상기 막에 의해서 한정된 액체 챔버로 구성되고, 상기 양극 격실은 산소 방출에 적합한 양극을 수용하고 알카리 전해질을 공급하고 방출하기 위한 수단을 포함하며, 상기 음극 격실은 음극 벽과 상기 막에 의해서 한정된 가스 챔버로 구성되고, 상기 음극 격실은 선택적으로 백금을 함유하는 촉매 활성층을 통해서 상기 막과 밀착 접촉하는 가스 확산 음극을 수용하고, 상기 가스 확산 음극은 상기 양극 격실로부터 나오는 전해질 필름의 여과에 적합한, 전해용 전지.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 확산 음극의 상기 촉매 활성층은 상기 전해질 필름의 여과에 적합한 친수성 층인, 전해용 전지.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가스 확산 음극은 상기 음극 가스 챔버로의 수소 방출을 용이하게 하기에 적합한 외부 소수성 층을 추가로 포함하는, 전해용 전지.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이온 교환막은 비보강된 단분자층 설폰막(non-reinforced monolayer sulphonic membrane)인, 전해용 전지.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스 확산 음극과 상기 음극 벽은 다공성 금속 구조물, 선택적으로 니켈 또는 스틸 포움(steel foam)으로 구성되는 집전기에 의해서 전기 접촉되는, 전해용 전지.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 방출에 적합한 상기 양극과 상기 양극 벽은 다공성 금속 구조물, 선택적으로 니켈 또는 스틸 포움 또는 매트로 구성되는 집전기에 의해서 전기 접촉되는, 전해용 전지.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 방출에 적합한 상기 양극은 니켈 또는 스틸 메쉬 또는 팽창형 또는 펀치형 시트로 제조된, 선택적으로 상기 막과 직접 접촉하는 촉매 코팅으로 활성화된 기판으로 구성되는, 전해용 전지.
  8. 2극 또는 단극 구성에 따라서 양극 벽과 음극 벽을 통해서 전기 접속된, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 전지들의 모듈형 배열로 구성되는 알카리 용액들의 전해조.
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 전지에서의 전해 공정에 있어서,
    이하의 동시 또는 연속 단계들 즉,
    가스 확산 음극 내부에서 전해질 필름의 여과에 의한, 알카리 금속 수산화물 용액으로 구성되는 전해질의 양극 격실로의 공급 단계;
    직접적인 전류의 차후 공급에 의한, 동력 장치의 네거티브 극에 대한 상기 음극 격실의 연결과 상기 동력 장치의 포지티브 극에 대한 상기 양극 격실의 연결 단계;
    상기 전해질 필름 내의 수소의 음극 방출과 상기 음극 격실로부터의 상기 수소의 방출 단계;
    상기 양극의 표면 상에서의 산소 방출 단계; 및
    상기 양극 격실로부터 용해 산소를 수용하는 배기 전해질의 후퇴 단계를 포함하는, 전해 공정.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 전해질은 10 중량% 농도 내지 45중량% 농도의 가성 소다의 수용액으로 구성되는, 전해 공정.
KR1020157012526A 2012-10-16 2013-10-15 알카리 용액의 전해 전지 KR102212534B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
IT001736A ITMI20121736A1 (it) 2012-10-16 2012-10-16 Cella di elettrolisi di soluzioni alcaline
ITMI2012A001736 2012-10-16
PCT/EP2013/071534 WO2014060417A1 (en) 2012-10-16 2013-10-15 Electrolysis cell of alkali solutions

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150070293A true KR20150070293A (ko) 2015-06-24
KR102212534B1 KR102212534B1 (ko) 2021-02-09

Family

ID=47226276

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020157012526A KR102212534B1 (ko) 2012-10-16 2013-10-15 알카리 용액의 전해 전지

Country Status (14)

Country Link
US (1) US10968526B2 (ko)
EP (1) EP2909363B1 (ko)
JP (1) JP6324392B2 (ko)
KR (1) KR102212534B1 (ko)
CN (1) CN104662203B (ko)
AR (1) AR092998A1 (ko)
AU (1) AU2013334007B2 (ko)
DK (1) DK2909363T3 (ko)
ES (1) ES2678268T3 (ko)
IL (1) IL237320A0 (ko)
IT (1) ITMI20121736A1 (ko)
TW (1) TW201419647A (ko)
UY (1) UY35080A (ko)
WO (1) WO2014060417A1 (ko)

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201504477A (zh) * 2013-07-17 2015-02-01 Industrie De Nora Spa 電解電池和鹼溶液電解槽以及在電池內之電解方法
US9273405B1 (en) * 2014-11-20 2016-03-01 University Of Delaware Electrolysis device for chlorine production
JP2017070920A (ja) * 2015-10-08 2017-04-13 モレックス エルエルシー 電解水の製造装置
CN105420748B (zh) * 2015-11-18 2018-01-12 复旦大学 一种基于三电极体系的两步法电解水制氢的方法及装置
ITUB20160083A1 (it) * 2016-01-26 2017-07-26 Massimiliano Boccia Cella elettrolitica per la produzione di idrogeno
JP6811444B2 (ja) * 2016-02-16 2021-01-13 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 電気化学式水素ポンプ
BE1023867B1 (fr) 2016-02-23 2017-08-25 H2Win S.A. Dispositif pour la production d'hydrogène gazeux
EP3272907B1 (de) 2016-07-20 2019-11-13 Fuelsave GmbH Verfahren zum betreiben einer elektrolyseeinrichtung sowie antriebssystem mit elektrolyseeinrichtung
IT201600127172A1 (it) * 2016-12-15 2018-06-15 Claind S R L Elettrolizzatore perfezionato per la produzione di idrogeno mediante elettrolisi dell’acqua
WO2018155503A1 (ja) * 2017-02-21 2018-08-30 旭化成株式会社 陽極、水電解用陽極、電解セル、及び水素の製造方法
JP2019090087A (ja) * 2017-11-15 2019-06-13 株式会社東芝 電解槽及び水素製造装置
KR20230156962A (ko) 2018-12-21 2023-11-15 맹그로브 워터 테크놀로지스 리미티드 Li 회수 공정 및 li 회수 공정을 위한 현장 화학적 생산
JP7409769B2 (ja) * 2018-12-27 2024-01-09 高砂熱学工業株式会社 水素製造セル及び水素製造セルを用いた水素製造方法
DE102019108028A1 (de) * 2019-03-28 2020-10-01 Airbus Defence and Space GmbH Hochdruck Wasserelektrolysevorrichtung für ein Fahrzeug
IT201900020026A1 (it) * 2019-10-30 2021-04-30 Industrie De Nora Spa Elettrodo per evoluzione elettrolitica di idrogeno
DE102020206576A1 (de) 2020-05-26 2021-12-02 Thyssenkrupp Uhde Chlorine Engineers Gmbh Elektrolysezelle, Verfahren zum Betrieb einer solchen Zelle und Elektrolyseur
EP4343036A1 (en) * 2021-05-19 2024-03-27 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Anode gas diffusion layer for water electrolysis cells, water electrolysis cell, and water electrolysis device
US11444304B1 (en) 2021-06-01 2022-09-13 Verdagy, Inc. Anode and/or cathode pan assemblies in an electrochemical cell, and methods to use and manufacture thereof
US11390956B1 (en) 2021-06-01 2022-07-19 Verdagy, Inc. Anode and/or cathode pan assemblies in an electrochemical cell, and methods to use and manufacture thereof
CN113387427A (zh) * 2021-06-15 2021-09-14 北京航空航天大学 隔膜阴极及微生物电解池
US11431012B1 (en) 2021-08-09 2022-08-30 Verdagy, Inc. Electrochemical cell with gap between electrode and membrane, and methods to use and manufacture thereof
KR20230081353A (ko) * 2021-11-30 2023-06-07 한화솔루션 주식회사 음이온교환막 수전해용 기체 확산층 및 이의 제조방법
US20240072262A1 (en) * 2022-08-23 2024-02-29 Form Energy, Inc. Construction of electrode and cell components for metal-air batteries
WO2024047934A1 (ja) * 2022-08-31 2024-03-07 国立大学法人横浜国立大学 アルカリ水電解装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5650058A (en) * 1991-06-22 1997-07-22 Maschinen-Und Anlagenbau Grimma Gmbh (Mag) Electrolytic cell and capillary gap electrode for gas-developing or gas-consuming electrolytic reactions and electrolysis process therefor
KR20070016101A (ko) * 2003-11-14 2007-02-07 페메아스 게엠베하 가스 확산 물질을 위한 구조 및 이의 제조 방법
KR20080096408A (ko) * 2007-04-26 2008-10-30 크로린엔지니아즈 가부시키가이샤 물 전해장치
US20120103829A1 (en) * 2009-07-10 2012-05-03 Alessandro Tampucci Device for the production on-demand of hydrogen by electrolysis of aqueous solutions from dry cathode

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4305793A (en) * 1979-10-22 1981-12-15 Broniewski Bogdan M Method of concentrating alkali metal hydroxide in hybrid cells having cation selective membranes
JPS5798681A (en) * 1980-12-09 1982-06-18 Asahi Glass Co Ltd Method for ion membrane electrolysis
US4732660A (en) * 1985-09-09 1988-03-22 The Dow Chemical Company Membrane electrolyzer
DE4027655C1 (ko) * 1990-08-31 1991-10-31 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V., 8000 Muenchen, De
US6024855A (en) * 1997-08-15 2000-02-15 Sachem, Inc. Electrosynthesis of hydroxylammonium salts and hydroxylamine using a mediator
EP1120481B1 (en) * 1999-07-09 2016-03-09 Toagosei Co., Ltd. Method for electrolysis of alkali chloride
JP4881511B2 (ja) * 2000-03-28 2012-02-22 株式会社神鋼環境ソリューション 給電体
US7541308B2 (en) * 2001-04-11 2009-06-02 Cabot Corporation Fuel cells and other products containing modified carbon products
ITMI20012379A1 (it) * 2001-11-12 2003-05-12 Uhdenora Technologies Srl Cella di elettrolisi con elettrodi a diffusione di gas
DE10335184A1 (de) * 2003-07-30 2005-03-03 Bayer Materialscience Ag Elektrochemische Zelle
CN1854063A (zh) * 2005-04-28 2006-11-01 黄潮 电化学锌－水制氢、储氢方法
JP2009007647A (ja) * 2007-06-29 2009-01-15 Hitachi Ltd 有機ハイドライド製造装置、及び、それを用いた分散電源と自動車
GB0801268D0 (en) * 2008-01-24 2008-02-27 Itm Power Research Ltd Improvements to electrolysis
JP2010229431A (ja) * 2009-03-25 2010-10-14 Kurita Water Ind Ltd イオン透過性隔膜及びその製造方法
EP2470690A2 (en) * 2009-08-27 2012-07-04 Sun Catalytix Corporation Compositions, electrodes, methods and systems for water electrolysis and other electrochemical techniques
GB201013368D0 (en) * 2010-08-09 2010-09-22 Ion Science Ltd Hydrogen generation
US9297084B2 (en) * 2011-01-12 2016-03-29 Ceramatec, Inc. Electrochemical production of hydrogen
EP2718235B1 (en) * 2011-06-06 2018-03-28 Axine Water Technologies Inc. Efficient treatment of wastewater using electrochemical cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5650058A (en) * 1991-06-22 1997-07-22 Maschinen-Und Anlagenbau Grimma Gmbh (Mag) Electrolytic cell and capillary gap electrode for gas-developing or gas-consuming electrolytic reactions and electrolysis process therefor
KR20070016101A (ko) * 2003-11-14 2007-02-07 페메아스 게엠베하 가스 확산 물질을 위한 구조 및 이의 제조 방법
KR20080096408A (ko) * 2007-04-26 2008-10-30 크로린엔지니아즈 가부시키가이샤 물 전해장치
US20120103829A1 (en) * 2009-07-10 2012-05-03 Alessandro Tampucci Device for the production on-demand of hydrogen by electrolysis of aqueous solutions from dry cathode

Also Published As

Publication number Publication date
DK2909363T3 (en) 2018-07-30
JP6324392B2 (ja) 2018-05-16
CN104662203B (zh) 2018-06-05
WO2014060417A1 (en) 2014-04-24
AU2013334007A1 (en) 2015-03-12
KR102212534B1 (ko) 2021-02-09
JP2015536383A (ja) 2015-12-21
US10968526B2 (en) 2021-04-06
EP2909363B1 (en) 2018-05-30
EP2909363A1 (en) 2015-08-26
AU2013334007B2 (en) 2017-08-31
IL237320A0 (en) 2015-04-30
ES2678268T3 (es) 2018-08-09
AR092998A1 (es) 2015-05-13
CN104662203A (zh) 2015-05-27
ITMI20121736A1 (it) 2014-04-17
US20150240368A1 (en) 2015-08-27
UY35080A (es) 2014-05-30
TW201419647A (zh) 2014-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102212534B1 (ko) 알카리 용액의 전해 전지
KR102311123B1 (ko) 알칼리 용액들의 전해 셀
Moussallem et al. Chlor-alkali electrolysis with oxygen depolarized cathodes: history, present status and future prospects
KR100939448B1 (ko) 가스 확산 전극을 갖는 전해 전지
CA2845679C (en) Gas-diffusion electrode
KR102475005B1 (ko) 알칼리수 전해조에서 사용하기 위한 다이어프램-전극 조립체
JP2015536383A5 (ko)
WO2007070047A2 (en) Oxygen-consuming zero-gap electrolysis cells with porous/solid plates
CN114402095A (zh) 错流式水电解
EP4252294A1 (en) Electrochemical cell and method of using same
Farzami et al. Comparative study on application of bimetallic Pt-based alloy electrocatalysts in advanced chlor-alkali electrolysis
Joudaki et al. Comparative study of the Pt and Ru carbon support’s affection on the caustic current efficiency in a zero-gap advanced chlor-alkali cell
JP2019510885A (ja) クロルアルカリ電気分解用の二機能性電極および電気分解デバイス
JPH10204670A (ja) 食塩電解槽

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant