KR20160033732A - 알칼리 용액들의 전해 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 백금과 팔라듐 촉매제를 포함하는 다공성 웹의 형태로 캐소드를 포함하는 알칼리성 용액들의 전기분해에 의해 고 순도 수소 및 산소의 생성을 위해 적합한 양이온 교환 막에 의해 분할된 전기화학 셀에 관한 것이다. 셀은 모듈러 필터 압축 전해조의 요소로서 이용될 수 있다.

Description

알칼리 용액들의 전해 셀{ELECTROLYSIS CELL OF ALKALI SOLUTIONS}
본 발명은 전기화학 셀에 관한 것이고, 특히 수소의 캐소드 생성 및 산소의 애노드 생성을 갖는 가성 소다(caustic soda) 또는 칼리(potash) 전해 셀에 관한 것이다.
수용액들의 전해에 의한 수소 및 산소의 생성은 본 분야에서 널리 공지된다. 산성 또는 알칼리성 용액들의 전해에 기초한 기술들은 과거에 활용되었고, 후자가 전해질들의 더 약한 공격성(aggressiveness)으로 인해 대체로 바람직하여, 그들의 제조를 위해 금속 물질들의 더 넓은 선택을 허용한다. 가성 소다 또는 칼리와 같은, 알칼리 용액들의 전해는 산업 규모의 70년 이래로 대기압에서 반침투성의 다이어프램(diaphragm)들에 의해 분할된 셀들에서 실현된다. 잘 공지된 바와 같이, 공통적으로 이용된 다이어프램들은 안전 조건들에서 고압 동작을 위해 그리고 예를 들면, 3kA/m2 위의 고 전류 밀도 동작을 위해 적합하지 않은, 프로세서 조건들에 관해 엄격한 제한들을 제공한다. 게다가, 프로세스를 단순화하기 위해, 그 pH가 캐소드 반응의 효과 하에서 증가하는 경향이 있는 캐소드 구획의 출구에서의 전해질은, 그 pH가 셀로 재순환되기 이전에, 역으로 감소하는 경향이 있는 애노드 구획의 출구에서의 전해질과 혼합되어야 한다. 비록 제한된 양일지라도, 이들 2개의 출구 흐름들에서 용해된 수소 및 산소는 결국 혼합되고, 그에 의해 최종 제품들의 순도(purity)를 감소시키고; 상업적 관점으로부터, 이것은 특히 제품 수소에 대해 중요한 것으로 고려된다. 건조된 캐소드 제품에서의 산소의 농도에 관해 측정된, 다이어프램 알칼리성 전해조들에서 생성된 수소의 전형적인 순도는 대략 0.5% O2 콘텐트(5000 ppm)이다.
이러한 제한들을 극복하는 시도로, 순수한 물들 전기분해할 수 있는 소위 "양성자 교환 막(Proton Exchange Membrane; PEM)" 또는 "고체 고분자 전해질(Solid Polymer Electrolyte; SPE)"로 불리는 전해 셀들의 생성은 가스실들로 구성되는 2개의 구획들을 분리하기 위해 2개의 면들 상에서 적합하게 촉매작용이 된, 이온-교환 막들의 이용에 기초하여, 이후에 개발되었다; 이온-교환 막들은 실제로, 몇몇 바(bar)들의 차동 압력들을 견딜 수 있고, 극단적인 경우들에서 약 25kA/m2의 값들에 도달할 수 있는 훨씬 더 높은 전류 밀도에서 동작될 수 있다. 이 유형의 셀들로 얻을 수 있는 수소의 순도는 건조된 캐소드 제품들에서 그 범위가 대략 O2의 400 내지 700 ppm이다. 또한, PEM/SPE 셀들은 그럼에도 불구하고, 특히, 건설적 오차들을 보상하고 로컬 전기 지속성을 보존할 수 있는 매우 전도성 있는 전해질의 부재 시에 큰 크기 셀들을 설계할 때의 어려움들과 연관된 일부 중요한 결점들을 제공한다. 이 이유로 인해, 이 종류의 기술을 위해 설치될 수 있는 최대 파워가 대략 몇 kW임이 일반적으로 고려된다.
따라서, 제품들의 고 순도와 큰 규모에 대해 고 전류 밀도에서 동작하는 능력을 결합시키는, 종래 기술의 제한들을 극복하는 수소와 산소의 생성을 위해 전해 기술을 제공하는 필요성이 식별되었다.
본 발명의 다양한 양태들은 첨부된 청구항들에서 제시된다.
하나의 양태 하에서, 본 발명은 양이온 교환 막에 의해 알칼리성 전해 전형적으로, 가성 소다 또는 칼리를 공급받는 애노드 구획 및 캐소드 구획으로 분할된 알칼리 용액들의 전해를 위한 셀에 관한 것이고, 애노드 구획은 산소 발생(oxygen evolution)을 위해 적합한 애노드를 포함하고 캐소드 구획은 수소 발생을 위한 캐소드를 포함하며; 캐소드는 백금과 팔라듐 사이에 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 촉매적으로 활성 층을 통해 막과 밀접한(intimate) 접촉을 하는 다공성 웹으로부터 얻어진다. 이 종류의 캐소드 구조들은 때때로 가스 확산 캐소드들로서 이용되고, 여기서 가스 전달을 위해 적합하고 일반적으로 탄소질 또는 금속 물질들로부터 얻어진 다공성 웹에는 정상적으로, 선택적으로 소결 고분자 바인더들과 혼합하는 금속 또는 탄소분들로 구성되는 하나 이상의 확산 층들이 제공되고; 이들 층들 또는 그들 중 일부는 적합하게 촉매작용된다. 가스 확산 캐소드로서 이용될 때, 이 종류의 전극에는 예를 들면, 연료 전지들에서의 또는 감극된 전해 셀들에서의 산소의 감소를 성취하기 위해 가스 반응물들이 공급된다. 발명자들은 그럼에도 불구하고, 이 종류의 전극 아키텍처가 특히 가성 소다 또는 칼리 전해 프로세스들에서의 캐소드 발생에 의해 극도로 높은 순도로 수소를 얻기 위해 적합함을 관측했다.
가스실에 배열되는 것보다 액체 구획에서 침수될 때, 이 종류의 전극들의 놀라운 성능들은 막과 접촉하는 촉매반응 층에 뿐만 아니라, 개시 다공성 웹과 접촉하는 층들에 대해 상대적인 친수성의 적합한 특성들을 부여함으로써 또한 개선될 수 있다. 확산 층들의 친수성 또는 소수성 정도는 소수성 구성요소들(예를 들면, 고분자 바인더들)에 대한 친수성(예를 들면, 탄소질 또는 금속 파우더들)의 비에 따라 조치를 취함으로써 조정될 수 있고; 상이한 탄소분들의 적합한 선택은 또한, 전극 층들의 소수성을 조정하기 위해 이용될 수 있다. 촉매적으로 활성 층들의 상이한 공식화가 발명자들에 의해 예를 들면, 귀금속들의 상이한 혼합들을 이용함으로써 테스트되어서, 일부 경우들에서 백금 및/또는 팔라듐 기반 촉매제들에 의해 제공된 것들과 동일한 셀 전압들을 얻는다. 후자는 그러나, 제품 수소의 순도에 대해 절대적으로 우수한 성능들을 보였다.
본 발명에 따른 셀에서, 알칼리성 전해질 예를 들면, 가성 소다 또는 칼리는 셀의 2개의 구획들에서의 적합한 공급 및 방출 수단에 의해 순환되고; 하나의 실시예에서, 알칼리성 전해질 용액의 동일한 농도는 애노드 및 캐소드 구획에서 유지된다. 이것은 양이온-교환 막에 걸쳐 하나의 구획으로부터 다른 구획으로의 전해질 이동을 최소화시키는 장점을 가질 수 있고, 이는 유압 분리기로서 동작할지라도, 가능하면 캐소드로 생성된 수소를 오염시킬 수 있는 적은 양들의 애노드로 생성된 산소와 함께, 용매화 범위의 전달된 이온들로서 물의 투과에 영향을 받는다. 애노드액 및 캐소드액 구성이 이 예에서 같을지라도, 2개의 출구 흐름들의 순환은 제품들의 순도를 최대화하기 위해 분리된 채로 유지된다. 하나의 예에서, 산소의 전해질 발생을 위한 애노드는 예를 들면, 스피넬(spinel)들 또는 페로브스카이트(perovskite)들의 과(family)에 관계되는 금속 산화물들에 기초한 촉매제들을 포함하는 필름으로 코칭된 니켈 기판으로 구성된, 애노드 구획 내부에 존재한다.
절대적으로, 이례적인 알칼리성 용액들에서, 분리기로서 양이온-교환 막의 이용은 심지어 고압 조건들에서 더 증진된 가스 분리를 수반하여, 전체적인 효율성의 최적화에 기여하는 다른 구획에 대한 하나의 구획 사이의 상당한 차동 압력들을 갖는 동작을 허용한다. 한편, 본 발명에 따른 셀은 또한, PEM/SPE 유형 셀들에 대한 거의 틀림없는 장점들을 제공하는데, 이는 매우 전도성 있는 액체 전해질의 존재가 덜 엄중한 건설적 오차들을 갖고 동작하는 것을 허용하여, 로컬 전기 접촉이 더 중요한 존들을 보상하기 때문이다. 또한, 가장 놀라운 양태는 본 발명에 따른 셀로 생성된 수소의 순도가 PEM/SPE 유형 셀들로 관측된 것보다 훨씬 높다는 것이다.
하나의 실시예에서, 가스 확산 캐소드에는 막과 직접 접촉하는 더 친수성 촉매반응된 층 및 가스 제품의 릴리스를 지지하는데 적합한 덜 친수성 외부 층이 제공된다. 이것은 물질 이동론(mass transport phenomena)을 개선하는 장점을 가질 수 있어서, 액체 전해질이 촉매 사이트들에 용이하게 액세스하도록 허용하고 가스에 우선적인 출구 경로를 제공한다. 소수성 층은 또한, 촉매반응될 수 없다. 하나의 예에서, 가스 확산 캐소드는, 적어도 더 친수성의 층에서, 촉매제를 포함하는 백금으로 활성화된다. 백금은 특히, 액티비티(activity) 및 안정성에 대해 알칼리 용액들로부터의 캐소드 수소 발생을 위해 적합하고; 일 대안으로서, 팔라듐 또는 백금/팔라듐 혼합들에 기초하여 촉매제를 이용하는 것이 가능하다.
하나의 실시예에서, 양이온-교환 막은 연료 전지 애플리케이션들을 위해 공통적으로 이용된 유형의 비 강화형 단층 설폰(sulphonic) 막이다. 발명자들은, 심지어 감소된 두께를 갖는 비 강화형 막들이 적절하게 적합한 기계적 설계에 의해 지지되면, 그들이 심지어 알칼리성 전해질로 동작될 때, 표시된 프로세스 조건들에서 고 성능들을 보여줌을 관측했다. 이것은 알칼리성 전해질들을 갖고 상당히 더 높은 셀 전압들을 야기하는 산업용 애플리케이션들을 대표하여, 내부 강화를 구비한 단층 설폰 막들에 대해 감소된 저항 강하 및 상대적으로 적당한 비용에 의해 특징지워진 막의 유형의 이용을 허용하는 장점을 갖는다. 애노드액 및 캐소드액의 분리에 대해 훨씬 더 높은 전기 효율성 및 더 양호한 속성들의 부가적인 이득을 갖는, 때때로 산업용 애플리케이션들에서 이용된 음이온-교환 막들과 비교하여 유사한 것들이 관측되어, 제품 수소의 순도에 관해 분명한 결과들을 갖는다.
하나의 실시예에서, 캐소드 및 캐소드 벽은 다공성 금속 구조, 선택적으로 니켈 또는 스틸 폼(steel foam)으로 구성된 전류 수집기에 의해 전기 접촉을 한다. 이것은 캐소드의 전체 표면을 따라 조밀하게 분포된 포인트들에 의해 전기 접촉을 확립하는 장점을 가질 수 있고, 이는 탄소질 기판으로부터 얻어질 때 상대적으로 낮은 피상적인 전도도를 가질 수 있고; 동시에, 이 종류의 전류 수집 요소들은 감소된 기계적 부하들에서 동등하게 잘 분포된 기계적 지지를 보장할 수 있으며, 이는 심지어 2개의 셀 구획들 사이의 차동 압력증가의 조건들에서의 양이온-교환 막의 보호에 기여한다.
하나의 실시예에서, 산소 발생을 위한 애노드는, 선택적으로 촉매 코팅으로 활성화된, 니켈 또는 스틸 메쉬 또는 익스팬디드(expanded) 또는 펀칭된 시트로 형성된 기판으로 구성된다. 니켈 및 스틸은 전형적으로, 산업용 막 전해조들의 캐소드 구획들을 위해 이용된 금속들이고; 본 발명에 따른 셀 설계에 의해 가능하게 형성된 전해질 구성의 특정한 조건들은 또한 애노드 구획을 위한 그들의 이용을 허용하며, 이는 셀 구성을 단순화한다. 하나의 실시예에서, 산소 발생을 위한 애노드는 애노드-대-막 갭 내부의 전해질과 연관된 저항 강하를 제거하기 위해, 막과 직접 접촉하도록 위치된다.
하나의 실시예에서, 산소 발생을 위한 애노드는 캐소드 측에 대해 개시된 수집기와 유사하게, 다공성 금속 구조, 선택적으로 니켈 또는 스틸 폼으로 구성된 전류 수집기에 의해 관련 애노드 벽과 전기 접촉을 하여, 또한 막/캐소드 패키지의 최적의 기계적 지지에 기여한다. 애노드 수집기의 치수(dimensioninig)는 특히, 다공성 및 접촉 포인트들의 밀도에 대해서, 캐소드 수집기의 치수와 상이할 수 있다. 상기 설명된 전류 수집기들의 최적 치수는 막과 직접 접촉하는 애노드를 위치시키는 것을 허용할 수 있어서, 펀칭 또는 그렇지 않으면 예를 들면, 마모에 의해 동일한 것을 손상시킬 위험을 실질적으로 제한하면서 적합한 방식으로 후자를 지지한다.
또 다른 양태 하에서, 본 발명은 직렬 또는 병렬로, 특히 양극 또는 단극 구성에 따라 애노드 및 캐소드 벽들을 통해 접속된, 본 명세서에서 전에 설명된 바와 같은 셀들의 모듈러(modular) 배열로 구성된 알칼리성 용액들의 전해조에 관한 것이다.
또 다른 양태 하에서, 본 발명은 본 명세서에서 전에 설명된 바와 같은 셀의 애노드에 및 캐소드 구획에 별개로 가성 소다 또는 칼리와 같은, 알칼리 금속 수산화물 용액으로 구성된 전해질을 공급하는 단계; 캐소드 구획의 접속 시에 정류기 또는 다른 직류 전원의 음극에 및 애노드 구획의 접속 시에 정류기 또는 다른 직류 전원의 양극에 직류 전류를 공급하는 단계; 및 애노드 구획으로부터 용해된 산소를 포함하는 유해한 전해질 및 캐소드 구획으로부터 용해된 수소를 포함하는 유해한 전해질을 배출시키는(withdrawing) 단계를 포함한다.
하나의 실시예에서, 프로세스 전해질은 무게 농도만큼 8 내지 45%, 더 바람직하게 무게 농도만큼 10 내지 20%의 가성 소다의 수용액으로 구성된다. 이것은 양이온-교환 막의 온전함(integrity)을 적절하게 보존하면서 최적 프로세스 효율성을 성취하는 장점을 가질 수 있다.
본 발명을 예시화하는 일부 구현들은 본 발명의 상기 특정한 구현들에 대해 상이한 요소들의 상호 배열을 상대적으로 도시하는 유일한 목적을 갖는 첨부된 도면들을 참조하여 이제 설명될 것이고; 특히, 요소들은 반드시 치수대로 도시되는 건 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 전해 셀의 측 단면도.
도 1은 양이온-교환 막(100)에 의해 애노드 구획 및 캐소드 구획으로 하위분할된 전해 셀의 측 단면도를 보여주고; 애노드 구획은 애노드 벽(200)에 의해 막(100)에 대향하는 측에서 구분된 챔버(chamber)로 구성되고; 애노드 구획 내부에서, 메쉬 또는 다른 다공성 금속 구조로 형성된 기판으로 구성된 애노드(300)는 막(100)과 직접 접촉하도록 제공되거나 기껏해야 대략 몇 밀리미터의 크기만큼, 매우 작은 미리 정의된 갭에 의해 그로부터 이격된다. 애노드(300)와 대응하는 애노드 벽(200) 사이의 전기 접촉은 다공성 금속 구조 예를 들면, 니켈 또는 스틸 폼 또는 매트(mat)로 구성된 애노드 전류 수집기(600)를 통해 성취된다. 애노드 구획은 프로세스 애노드액 예를 들면, 가성 소다 또는 칼리의 공급(400) 및 방출(401) 수단을 구비한다. 도 1은 상부로부터 공급되고 하부로부터 방출된 전해질을 보여주지만, 셀은 전해질을 거꾸로 공급함으로써 또한 동작될 수 있다. 애노드 구획에서, 산소(500)가 생성되고 전해질 페이즈(phase) 내에서 버블 형태로 방출된다. 캐소드 구획은 캐소드 벽(210)에 의해 막(100)에 대향하는 측에서 구분된 챔버로 구성되고; 백금 및/또는 팔라듐으로 촉매적으로 활성화된 층이 제공된 다공성 웹으로 구성된 캐소드(310)는 예를 들면, 고온 압축(hot pressing) 또는 다른 공지된 기술에 의해 막(100)과 밀접한 접촉을 하도록 배열된다. 캐소드(310)와 캐소드 벽(210) 사이의 전기 접촉은 다공성 금속 구조 바람직하게 니켈 또는 스틸 폼으로 구성된 캐소드 전류 수집기(610)를 통해 성취된다. 캐소드 구획은 프로세스 캐소드액의 공급(410) 및 방출(401) 수단을 구비하고, 하나의 실시예에서, 상기 프로세스 캐소드액은 프로세스 애노드액의 동일한 구성을 갖지만 별개로 순환되고; 캐소드 제품은 전해질 페이즈 내부에서 버블들로서 방출된 수소(510)로 구성된다. 도시된 셀은 또한, 가스켓팅(gasketing) 시스템(도시되지 않음) 및 고정 수단 예를 들면, 애노드 및 캐소드 벽들(도시되지 않음)의 둘레를 따라 분포된 타이 로드(tie-rod)들을 포함한다. 본 명세서에서 전에 설명된 바와 같은 다수의 셀들이 전해조의 모듈러 요소들로서 이용되기 위해 적합한 방법이 당업자에게 명백할 것이다. 예로서, 전기 직렬로 접속된 셀들의 스택으로 구성된 양극 구성에서의 전해조는, 본 분야에서 널리 공지된 필터 압축 설계에 따라, 중간 셀 벽들 각각이 하나의 셀의 애노드 벽 및 인접 셀의 캐소드 벽으로서 동시에 동작하도록 셀들을 조립함으로써 얻어질 수 있다.
다음 예들은 그 실행가능성이 값들의 청구된 범위에서 대체로 검증된, 본 발명의 특정한 실시예들을 설명하기 위해 포함된다. 뒤따르는 예들에서 개시된 구성들 및 기술들이 본 발명의 실행 시에 잘 기능하기 위해 발명자들에 의해 발견된 구성들 및 기술들을 표현함이 당업자들에 의해 이해되어야 하지만; 당업자들은 본 개시를 고려하여, 많은 변경들이, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 개시되고 비슷하거나 유사한 결과를 여전히 얻는 특정 실시예들에서 행해질 수 있음을 이해해야 한다.
예
2개의 전해조들이 조립되었고, 하나의 전해조는 63cm2의 전극 면적을 가지는 도면에 도시된 유형의 8개의 셀들로 구성되었고 다른 하나의 전해조는 4개의 셀들로 구성되었으며, 서로 전기 직렬로 접속되고 필터-압축 양극 구성으로 조립된다. 상이한 셀 구획들을 구분하는 벽들은 니켈 시트로 얻어졌다. 애노드 전류 수집기로서, 2mm의 압축되지 않은 두께를 갖는 인터레이싱(interlacing)되고 중첩된 와이어들의 4개의 층들로 형성된 니켈 매트 및 캐소드 전류 수집기로서, 1mm 두께의 폼이 이용되었다. 애노드들은 막과 밀접한 접촉을 하도록 조립된, 란타넘, 코발트 및 니켈의 산화물들의 혼합들을 포함하는 촉매제의 얇은 층으로 활성화된 니켈 메쉬로 형성되었다. 캐소드는 0.5mg/cm2의 총 백금 로딩으로 뿌림으로써 카본 클로스(carbon cloth) 상에 증착된, 듀폰(DuPont)으로부터의 나피온® 술폰화 과불소화 이오노머 확산으로 적셔진, 고 표면 영역 카본 블랙 상에 지지된 백금 기반 촉매제 질량의 20%로 구성된 친수성 층으로 활성화된 카본 클로스로 형성되었다. 막에 대향하는 친수성 층 측 상에, 1:1 무게 비율로 저 표면 영역 카본 블랙 및 PTFE의 혼합으로부터 얻어진 소수성 층이 뿌림으로써 또한 증착되었다. 캐소드는 듀폰에 의해 제조되고 셀 고정의 효과 하에서 냉-압축된 단층 설폰 나피온® 막에 대해 오버레이(overlay)된다. 평행 조건들에 곧 도달하기 위해, 발명자들은 또한, 셀 아상블라주(cell assemblage)에 대해 이전에 캐소드 및 막을 고온 압축하는 가능성을 검증했다. 전해조들은, 하나가 가성 칼리에 대한 것이고 다른 하나가 가성 소다에 관한 것인, 3000 시간의 2개의 테스트 캠페인들로 동작되어서, 전해질 농도(알칼리의 무게만큼 최대 45%까지), 전류 밀도(최대 9.5kA/m2까지) 및 캐소드 압력(1 내지 2 절대압)이 변화한다. 모든 테스트들에서, 그 전형적인 PEM/SPE 순수한 물 전해조들에 대해 더 높은 순도의 수소가 생성되었다. 셀 전압에 관한 성능들은 대기압 및 적당한 전해질 농도에서 또한 기대들에 완전하게 일치되었고; 구획들 둘 모두에서 대기 조건들에서의 및 73℃의 평균 온도에서의 20%의 가성 소다로 동작함으로써, 예를 들면, 1.92V의 안정적인 전압이 9.5kA/m2에서 얻어졌다. 제품 수소의 순도는 건조된 캐소드 제품에서의 산소의 농도에 대해 결정되었고; 상이한 테스트들은 O2의 범위 0.1 내지 1ppm 내의 값들을 제공했다.
반례
4 셀 전해조는 막과 밀접한 접촉을 하도록 조립된, 5g/m2 백금 갈바니 코팅(galvanic coating)으로 활성화된 니켈 메쉬로의 캐소드의 대체를 제외하고 상기 예 중 하나와 유사하게 조립되었다. 이전 예의 테스트 캠페인이 반복되어서, 단지 대기압에서 동작하는데 이는, 막의 2개의 면들과 접촉하는 2개의 금속 메쉬들을 갖는 셀들의 고압이 후자의 온전함에 대해 너무 위험한 것으로 고려되었기 때문이다. 73℃에서의 20% 가성 소다에 대해 동작함으로써, 2.34V의 안정적인 전압이 9.5kA/m2에서 얻어졌다. 최대 수소 순도가 건조된 캐소드 제품에서 O2의 400ppm에 대응된 이 테스트 캠페인 동안 검출되었다. 이전 설명은 본 발명을 제한하는 것으로서 의도되지 않을 것이고, 상기 이전 설명은 본 발명의 범위들로부터 벗어나지 않고 상이한 실시예들에 따라 이용될 수 있으며, 그 정도는 단지 첨부된 청구항들에 의해 정의된다.
본 출원의 설명 및 청구항들에 걸쳐, 용어 "포함하다(comprise)" 및 "포함하는(comprising)" 및 "포함하다(comprises)"와 같은 그의 변형들은 다른 요소들, 구성요소들 또는 부가적인 프로세스 단계들의 존재를 배제하도록 의도되지 않는다.
문서들, 동작들, 물질들, 디바이스들, 항목들 등의 논의는 단지 콘텍스트(context)를 본 발명에 제공하는 목적을 위해 본 명세서에 포함된다. 이들 주제들 중 임의의 것 또는 모두가 종래 기술 기반의 부분을 형성했거나 본 출원의 각각의 청구항의 우선권 날짜 전에 본 발명에 관련된 분야에서의 공통 일반 지식임이 제안되거나 표현되지 않는다.
100: 양이온-교환 막 200: 애노드 벽
210: 캐소드 벽 300: 애노드
310: 캐소드 500: 산소
510: 수소 600: 애노드 전류 수집기
610: 캐소드 전류 수집기

Claims (9)

  1. 양이온 교환 막에 의해, 각각에 알칼리성 용액을 공급하고 방출하기 위한 수단이 제공되는 애노드 및 캐소드 구획으로 분할된 전해 셀에 있어서,
    상기 애노드 구획은 산소 발생(oxygen evolution)을 위해 적합한 애노드를 포함하고, 상기 캐소드 구획은 백금과 팔라듐 사이에 선택된 적어도 하나의 귀금속을 포함하는 촉매적으로 활성화된 층을 통해 상기 막과 밀접한(intimate) 접촉을 하는 다공성 웹을 포함하는 수소 발생을 위해 적합한 캐소드를 포함하는, 전해 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    수소 발생을 위해 적합한 상기 캐소드는 상기 막에 대향하는 측 상의 상기 촉매적으로 활성화된 층에 인접하고, 상기 촉매적으로 활성화된 층에 대해 더 약한 친수성 특성들을 가지는 탄소 또는 금속 파우더들 및 고분자 바인더들로 구성된 제 2 층을 포함하는, 전해 셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 양이온-교환 막은 비 강화형 단층 설폰(sulphonic) 막인, 전해 셀.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 캐소드는 다공성 금속 구조, 선택적으로 니켈 또는 스틸 폼(steel foam)으로 구성된 전류 수집기에 의해 상기 캐소드 벽과 전기 접촉을 하는, 전해 셀.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 발생을 위해 적합한 상기 애노드는 다공성 금속 구조, 선택적으로 니켈 또는 스틸 폼 또는 매트(mat)로 구성된 전류 수집기에 의해 상기 애노드 벽과 전기 접촉을 하는, 전해 셀.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    산소 발생을 위해 적합한 상기 애노드는, 선택적으로 촉매 코팅으로 활성화된, 상기 막과 직접 접촉을 하는 니켈 또는 스틸 메쉬 또는 익스팬디드(expanded) 또는 펀칭된 시트로 형성된 기판으로 구성되는, 전해 셀.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 셀들의 모듈러(modular) 배열로 구성된 알칼리 용액들의 전해조에 있어서,
    양극 또는 단극 구성에 따라 상기 애노드 및 캐소드 벽들을 통해 전기적으로 접속되는, 전해조.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 셀에서의 전기분해 프로세스에 있어서,
    다음의 동시 또는 순차적 단계들:
    - 상기 애노드 및 구획들에 대한 알칼리 금속 수산화물 용액으로 구성된 전해질의 공급;
    - 직류 전류의 후속 공급을 통한, 파워 유닛의 음극에 대한 상기 캐소드 구획의 및 상기 파워 유닛의 양극에 대한 상기 애노드 구획의 접속;
    - 상기 촉매적으로 활성화된 층 내의 수소의 캐소드 발생 및 상기 캐소드 구획으로부터의 상기 수소의 방출; 및
    - 상기 애노드의 표면 상의 산소의 발생을 포함하는, 셀에서의 전기분해 프로세스.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전해질은 무게 농도만큼 10 내지 20%의 가성 소다의 수용액으로 구성되는, 셀에서의 전기분해 프로세스.
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