KR20170089935A - 전기 분해 셀들을 위한 전극 - Google Patents

Abstract

기체 생성 전기 화학 공정들을 위한 전기 분해 셀의 전극은 복수 개의 수평 엽편(lamellar) 요소들로 구성되고, 평탄한 C 프로파일 디자인의 상기 엽편 요소들은 평탄한 몸통 섹션 및 하나 이상의 측면부(들)로 이루어지고, 평탄한 몸통 섹션과 하나 이상의 측면부(들) 사이에 하나 이상의 임의 형태의 전이 섹션(들)이 배치되고, 엽편 요소들에는 복수 개의 관통홀들이 제공되며, 엽편 요소들은 구조적인 돌출부들과 함몰부들이 없는 평면 표면 영역을 가지고, 평탄한 몸통 섹션에는, 여러 열로 배열되고 서로 간에 대각선으로 배치된 복수 개의 관통홀들이 제공된다.

Description

전기 분해 셀들을 위한 전극{ELECTRODE FOR ELECTROLYSIS CELLS}

본 발명은 기체 생성 전기 화학 공정들을 위한 방법 및 전극에 관한 것이다. 장착된 전극은 마주하는 이온 교환 멤브레인과 평행하게 위치하고 복수 개의 수평 엽편(lamellar) 요소들로 이루어지며, 평탄한 C 프로파일 디자인의 수평 엽편 요소들은 평탄한 "몸통" 섹션 및 하나 이상의 측면부(들)로 이루어진다. 평탄한 몸통 섹션과 하나 이상의 측면부(들) 사이에 하나 이상의 임의 형태의 전이 섹션(들)이 배치되고, 엽편 요소들에는 복수 개의 관통홀들이 제공된다.

기체 생성 전기 화학 공정들을 위한 방법은 종래 기술에 따라 알려진 것이고, 전해조들에 이용되는 적절한 전극들에 적용된다. 특히, 이러한 전극들은 출원인 소유의 DE 198 16 334 A1에서 설명된다. 이 특허는 할로겐화 알칼리 수용액들로부터 할로겐 기체들을 생성하기 위한 전해조를 설명한다. 전해액 안에서 기체 제품이 생성되는 동안의 흐름 조건들은 멤브레인/전극 영역에서 나쁜 영향을 받기 때문에 DE 198 16 334 A1에서는 수평 레벨을 향해 기울어진 위치에서 각각의 미늘판자 형태의 요소들을 설치할 것을 제안한다. 이 방법은 셀 안에서 측면 유동을 생성하는데, 이는 각각의 엽편 요소들 아래에서 집결되는 기체 버블들이 이러한 디자인에 의해 제공된 개구부를 통해 상방향 흐름을 따라가기 때문이다.

그러나, DE 198 16 334 A1에서는 상기 문제, 즉 미늘판자 형태의 요소들 아래에 소정량의 기체가 정체되는 것에 대한 어떤 해결책도 제시되지 않는다. 따라서, 버블의 정체는 전극 접촉을 감소시키고 멤브레인 표면 영역의 상당 부분이 "블랭크(blank) " 상태가 된다. 이러한 블랭크 상태는 유체가 흐를 수 없음을 의미하고 이러한 영역에서의 기체 생성을 막는다. 더욱이, 이러한 기체 정체는 "블랭크" 상태에 기여하면서 멤브레인 분리 현상을 야기하여 다른 멤브레인 섹션들에서의 전류 밀도를 불가피하게 증가시켜 셀 전압이 상승하고 전류 소비가 증가하게 된다.

이러한 "블랭크" 문제를 해결하기 위해, EP 0 095 039에서 개시된 바에 따르면 전극의 엽편 요소들에는 십자형 홈들이 제공된다. 그러나, 이러한 홈들은 "블랭크"를 막는데 불충분하다고 DE 44 15 146 A1에서는 언급하고 있다. 그에 따라, DE 44 15 146 A1에서는 아래로 향하는 엽편 요소부에 복수 개의 홀(hole) 또는 복수 개의 보어(bore)를 제공하여 기체 배출 흐름을 향상시킬 것을 제안한다. 이와 관련해 해결되지 않은 문제는 접촉 영역 근처에 남아 있는 잔류 기체가 전해액 흐름을 방해한다는 것이다.

이러한 문제는 "블랭크" 효과를 최소화하는 DE 10 2005 006 555 A1의 주제를 통해 개선된다. 이를 위해, 기체 생성 전기 화학 공정들을 위한 전기 분해 셀의 전기 분해 전극이 제공되는데, 장착된 전극은 마주하는 이온 교환 멤브레인과 평행하게 위치하고 복수 개의 수평 엽편 요소들로 이루어진다. 복수 개의 수평 엽편 요소들은 3차원 디자인으로 구성되고 엽편 요소의 표면 섹션을 경유하여 멤브레인과 직접 접촉하고, 엽편 요소들은 요홈들 및 홀들을 가지고 대부분의 홀들은 요홈들 안에 배치되며, 이러한 홀들의 전체 표면 영역이나 일부 표면 영역은 요홈들 안에 위치하거나 요홈들 안으로 연장된다. 이러한 종류의 전극들을 설치함으로써, 유사한 외부 치수를 가진 일반적인 전극과 비교하여 6 kA/m²의 전류 밀도로 50 mV 넘게 현저하게 전압을 감소시키는 것이 가능했다.

관련된 단점으로는, 구조적인 돌출부들과 함몰부들에 의해 특징 지워지는 표면 영역이 요홈들에 의해 생성되어, 바람직하지 않은 기체 정체와 이에 의한 이온 교환 멤브레인 전체적으로 불균일한 전류 밀도 분포를 야기한다.

본 발명의 목적은 이러한 문제를 해결하는 것이다. 이를 위해, 앞서 설명한 단점들과 관련 없는 전극이 제공되고, 본 발명에 따른 전극을 작동시키는 방법은 셀 전압을 감소시키고 이에 대응하여 전기 에너지 수요를 줄인다.

놀랍게도, 이러한 목적은 DE 10 2005 006 555 A1에서 설명된 형태의 단순한 디자인을 통해서 달성된다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 기체 생성 전기 화학 공정들을 위한 전기 분해 셀의 전극을 이용함으로써 달성된다. 장착된 전극은 복수의 수평 엽편 요소들을 포함하고, 평탄한 C 프로파일 디자인의 수평 엽편 요소들은 평탄한 몸통 섹션 및 하나 이상의 측면부(들)로 이루어진다. 평탄한 몸통 섹션과 하나 이상의 측면부(들) 사이에 하나 이상의 임의 형태의 전이 섹션들이 배치되고, 엽편 요소들에는 복수 개의 관통홀들과 구조적인 돌출부들과 함몰부들이 없는 평면 표면 영역이 제공되며, 평탄한 몸통 섹션은 복수개의 열로 배열되고 서로 간에 대각선으로 배치된 복수 개의 관통홀들을 가진다.

본 발명은 연속적인 다공판, 예를 들어, DE 69600860 T2, DE 243256 A1, 및 DE 2630883 A1에서 제시된 다공판과 달리, 전극이 의도적인 냉간 인장 가공을 통해 삼차원 디자인의 복수 개의 엽편 요소들로 이루어진다. 이러한 굽힘은 전극의 안전성을 증가시키고, 멤브레인과 접촉하는 표면 영역의 평탄도를 향상시킨다. 초반에 언급된 바와 같이, 이러한 종류의 단일 요소들의 조합은 최신 기술이다.

홀들이 대각선으로 배치됨으로써, 가능한 많은 홀들을 제공하기 위해 몸통 섹션의 표면을 최적으로 활용하는 것이 가능해지고 이러한 방법으로 기체 정체는 더욱 감소된다. 선택적으로, 측면부들에도 또한 관통홀들이 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 전극이 전기 분해 셀에 장착되는 경우, 관통홀들은 이온 교환 멤브레인과 각각의 엽편 요소의 접촉 영역에 배치된다. 이러한 배치는 전기 분해 셀의 작동 시 이온 교환 멤브레인에 전해액을 공급하는 목적에 부합하여 기체 배출 흐름을 확보하게 된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 관통홀들은 펀칭홀들이다. 이러한 홀들은 임의의 선택적인 기하학적 형태를 가질 수도 있고, 바람직하게는 둥근 단면의 홀들일 수도 있다.

유리하게는, 둥근 관통홀들의 경우 엽편 요소들의 시트 두께가 홀 지름보다 작고/작거나 둥글지 않은 관통홀들의 경우 엽편 요소들의 시트 두께가 수력 단면(hydraulic cross-section)보다 작다.

본 발명에 따른 전극의 특히 유리한 실시예에서, 하나 이상의 측면부(들)은 전기 분해 셀 내부로 장착 시 멤브레인으로부터 적어도 10도 기울어진다. 전이 섹션부들은 유리하게는 챔퍼된 모서리로 형성된다.

수평으로 배치된 C 프로파일의 단일 엽편 요소들 사이의 공간은 우선적으로 0 내지 5 mm, 바람직하게는 0 내지 2 mm, 특히 바람직하게는 0 mm이다. 단일 엽편 요소들 사이의 공간을 가능한 한 작게 함으로써, 공정이 최적화되어 멤브레인 표면의 대략 6 내지 10%가 회복되고 실제적인 전기 분해 공정을 위해 이용될 수 있다.

본 발명관 관련된 전기 분해 방법은 앞서 설명한 바와 같은 평면 전극의 사용에 의해 특징 지워진다. 할로겐 기체를 생성하기 위해 단일 셀 형태 또는 필터 프레스 디자인의 전해조들을 이용하는 것이 유리하다.

본 발명의 장점은 다음과 같다.

- 전극의 엽편 요소들이 단순한 구조를 가진다.

- 종래의 디자인 형태들에 비해 현저한 전압 감소가 있다.

- 멤브레인 전체적으로 전류 분포가 균일하다.

- 요홈들에서의 기체 정체가 해소된다.

- 셀 전압의 현저한 감소로 비용 효율이 있는 방법이 제공된다.\

도 1은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로 본 발명에 따른 C 프로파일 디자인의 엽편 요소를 도시하는 평면도이다.

도 1은 평탄한 C 프로파일 디자인의 엽편 요소(1)를 도시한다. 후방으로 절곡된 측면부(2, 3)는 평탄한 몸통 섹션(6)에 비해 매우 짧고, 몸통 섹션(6)은 복수 배의 폭을 가진다. 측면부(2, 3)와 몸통 섹션(6) 사이에는 전이 섹션(4a, 4b)이 위치한다. 엽편 요소(1)의 평탄한 몸통 섹션(6)에는 복수 개의 열로 배열된 복수 개의 홀(5)이 제공되고, 이러한 홀들로 이루어진 열들은 서로 평행하며 인접하는 열들의 홀들은 서로 간에 대각선으로 배치된다. 이는 전기 분해를 위해 몸통 섹션(6)의 가용 표면 영역을 가장 효율적으로 이용하는 방법이다. 유리하게는, 전이 섹션(4a 또는 4b)에 홀들로 이루어진 추가 열 및/또는 측면부(2, 3) 자체에 홀들로 이루어진 추가 열들이 제공된다. 이러한 디자인의 중요한 장점은 전기 화학 반응이 일어날 수 있게 장착 시 몸통 섹션(6)이 멤브레인에 대해 평행 평면으로 배치되는 것이다. 이렇게 함으로써, 멤브레인에는 부식성 또는 염수 관통홀들(5)이 제공된다.

또한, 본 발명에 따른 C 프로파일 디자인의 엽편 요소들로 이루어진 전극을 이용하는 전기 분해 셀의 셀 전압이 측정되었다. 이와 비교하여, DE 10 2005 006 555 A1에 개시된 바와 같은 C 프로파일 디자인의 전극을 이용하는 전기 분해 셀의 셀 전압이 측정되었으며, 이때 전극은 홀들이 요홈들 안에 배열되어 엽편 요소들의 표면 영역이 구조적인 돌출부들과 함몰부들에 의해 특징 지워지는 것에 차이점이 있다. 또한, 평탄한 몸통 섹션의 홀들은 서로 간에 대각선으로 배열되지 않는다. 따라서, 사용된 두 개의 C 프로파일 디자인은 표면 품질에 있어서만 차이점이 있다. 실험에서 사용된 두 개의 C 프로파일 모두는 11 X 62 홀들을 가지고 있었고, 본 발명에 따른 설계의 경우, 이 홀들은 서로 간에 대각선으로 배열된 홀들로 이루어진 여러 열로 배열되었다. 홀 지름은 1.5 mm이었고 C 프로파일의 높이는 23 mm이었다.

DE 10 2005 006 555 A1에 따른 발명을 설명함에 있어서 요홈들의 유리한 효과가 강조되는데, 요홈들의 설명에 따르면, 최고 전류 밀도, 즉, 접촉 면적을 가진 섹션은 한편으로는 하측으로부터 연속적인 유체 흐름에 의해 요홈들을 경유하여 이상적인 방식으로 추출물을 공급받고, 다른 한편으로는 얻어진 훨씬 더 많은 양의 기체 제품이 요홈들을 경유하거나 홀들을 경유하여 상방으로 운반되어 전기 분해 전극의 후측으로 향한다. 이 때문에, 해당 기술 분야의 당업자는 엽편 요소들을 구조적으로 용이하게 변형하지 못할 것이다.

놀랍게도, 엽편 요소들의 요홈 구조체 없이 홀들이 서로 간에 대각선으로 배열되는 경우, 비교 실험에서는 대략 60 mV의 현저한 전압 감소가 있었다(90℃, 32 wt% 의 NaOH, 및 6 kA/m²로 표준화). 이는 요홈들 내부에서의 기체 정체와 관련되는데, DE 10 2005 006 555 A1에서는 고려되지 않았다.

1 엽편 요소
2 상측면부
3 하측면부
4a, b 절곡 전이 섹션
5 홀
6 몸통 섹션

Claims (7)

1. 기체 생성 전기 화학 공정들을 위한 전기 분해 셀의 전극에 있어서, 상기 전극은 복수 개의 수평 엽편(lamellar) 요소들로 구성되고, 평탄한 C 프로파일 디자인의 상기 엽편 요소들은 평탄한 몸통 섹션 및 하나 이상의 측면부(들)로 이루어지고, 상기 평탄한 몸통 섹션과 상기 하나 이상의 측면부(들) 사이에 하나 이상의 임의 형태의 전이 섹션(들)이 배치되고, 상기 엽편 요소들에는 복수 개의 관통홀들이 제공되는 전극에 있어서,
   상기 엽편 요소들은 구조적인 돌출부들과 함몰부들이 없는 평면 표면 영역을 가지고,
   상기 평탄한 몸통 섹션에는, 여러 열로 배열되고 서로 간에 대각선으로 배치된 복수 개의 관통홀들이 제공되는 것을 특징으로 하는 전극.
2. 제1항에 있어서,
   상기 관통홀들은 펀칭홀들인 것을 특징으로 하는 전극.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   둥근 관통홀들의 경우 상기 엽편 요소들의 시트 두께가 홀 지름보다 작고/작거나, 둥글지 않은 관통홀들의 경우 상기 엽편 요소들의 시트 두께가 수력 단면(hydraulic cross-section)보다 작은 것을 특징으로 하는 전극.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 측면부들에는 관통홀들이 제공되는 것을 특징으로 하는 전극.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   수평으로 배치된 상기 단일 엽편 요소들 사이의 공간은 0 내지 5 mm, 바람직하게는 0 내지 2 mm, 특히 바람직하게는 0 mm인 것을 특징으로 하는 전극.
6. 할로겐화 알칼리 수용액들로부터 할로겐 기체들을 생성하기 위한 전기 분해 방법에 있어서,
   상기 청구항들 중 하나에 따른 평면 전극들을 이용하는 것을 특징으로 하는 전기 분해 방법.
7. 제6항에 있어서,
   할로겐 기체를 생성하기 위해 단일 셀 형태 또는 필터 프레스 디자인의 전해조들을 이용하는 것을 특징으로 하는 전기 분해 방법.
   

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