KR20210092299A - 탄성 매트 및 전해조 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 도전성을 갖는 탄성 매트로서, 상기 탄성 매트가, 만곡되어 있는 것에 의해 형성되는 복수의 산부 및 곡부를 가지며, 상기 산부가, 상기 산부의 높이보다 작은 깊이를 갖는 오목부를 가지며, 상기 곡부가, 상기 곡부의 깊이보다 작은 높이를 갖는 볼록부를 갖는 탄성 매트를 제공한다.

Description

탄성 매트 및 전해조

본 발명은 탄성 매트 및 전해조에 관한 것이다.

식염수 등의 알칼리 금속 염화물 수용액을 이용한 전기 분해(이하, 「전해」라고 함)에서는 이온 교환 막법이 이용되고 있다. 이온 교환 막법은, 이온 교환 막을 구비한 전해조를 이용하는 것이다. 전해에 이용되는 전해조로는, 전극간 거리를 작게 하기 위해, 양·음의 두 전극 사이에 얇은 고체 전해질막을 실질적으로 끼운 형태의 전해조, 소위 제로 갭 전해조도 제안되어 있다.

제로 갭 전해조에 있어서, 이온 교환 막을 사이에 끼우는 적어도 한쪽 부재를 탄성 부재로 함으로써, 전해 셀 내에서 압력 변동이 생긴 경우에도 상기 탄성 부재에 의해 이온 교환 막의 파손으로 이어지는 응력을 흡수할 수 있다. 이러한 탄성 부재의 예로서, 특허문헌 1에는, 0.1 mm의 니켈 와이어 4개를 이용하여 직물로 한 쿠션 매트로서, 다시 파형으로 가공하여 두께 9 mm로 한 쿠션 매트를 탄성 매트로서 사용하는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 1 : 일본특허 제5047265호 명세서

탄성 매트에는, 어느 정도의 역차압을 받더라도 제로 갭을 유지할 수 있을 정도로 그 형상을 유지할 수 있는(찌부러지지 않는) 것이 요구된다. 이와 같이, 역차압에 노출된 후에 하중을 개방했을 때의 탄성 매트 두께가 남기 쉬운 것을 나타내는 성질을 역차압 내성이라고 한다. 제로 갭 전해조에 적용하는 전제에 있어서, 탄성 매트의 역차압 내성은 높은 것이 바람직하고, 예컨대 탄성 매트의 반발력을 높임으로써 충분한 역차압 내성이 확보되는 것으로 생각된다. 그러나, 탄성 매트의 반발력을 높이는, 즉 튼튼한 탄성 매트로 하는 경우, 탄성 매트가 전해조의 운전시에 부여하는 면압(본 명세서 중 「상용 면압」이라고도 함)도 높아지는 경향이 있다. 상용 면압이 높은 것은, 이온 교환 막에 가해지는 부하가 높다는 것을 의미하며, 막 손상을 일으킬 가능성이 높아진다. 여기서, 특허문헌 1에 기재된 탄성 매트는, 니켈 와이어의 직물을 파형으로 가공한 것이며, 예컨대 이것을 복수 적층하여 사용함으로써, 역차압 내성을 보다 향상시켜 찌부러지기 어렵게 하는 것은 가능하지만, 동시에 상용시의 면압이 높아지는 경향이 있다. 즉, 특허문헌 1의 기술에서는, 상용시의 면압이 과도하게 높아지는 것에 기인하여 이온 교환 막에 손상을 주는 경우가 있다. 이와 같이, 종래 기술에서, 전해 셀 내의 압력 변동이 생긴 경우의 제로 갭 구조의 유지와 막 손상의 방지 사이에는 트레이드 오프의 관계가 있다. 즉, 특허문헌 1에 기재된 탄성 매트는, 적당한 상용 면압의 관점에서 아직 더 개선할 여지가 있어, 제로 갭 구조의 유지와 막 손상의 방지를 양립시킬 수 있는 탄성 매트가 요구된다.

본 발명은, 상기 종래 기술이 갖는 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 전해조에 적용했을 때, 적당한 상용 면압을 부여하여, 이온 교환 막에 대한 손상을 방지할 수 있고, 역차압 내성도 우수한 탄성 매트 및 전해조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, 특정한 형상을 갖는 탄성 매트 또는 특정한 파라미터를 갖는 탄성 매트에 의해 상기 과제를 해결할 수 있다는 것을 발견하여 본 발명을 완성했다.

즉, 본 발명은 이하와 같다.

[1] 도전성을 갖는 탄성 매트로서,

상기 탄성 매트가, 만곡되어 있는 것에 의해 형성되는 복수의 산부 및 곡부를 가지며,

상기 산부가, 상기 산부의 높이보다 작은 깊이를 갖는 오목부를 가지며,

상기 곡부가, 상기 곡부의 깊이보다 작은 높이를 갖는 볼록부를 갖는 탄성 매트.

[2] 하나의 산부의 형성 방향과, 이것과 인접하는 산부의 형성 방향이 모두 대략 평행한 관계에 있고,

하나의 곡부의 형성 방향과, 이것과 인접하는 곡부의 형성 방향이 모두 대략 평행한 관계에 있는 [1]에 기재된 탄성 매트.

[3] 상기 산부 및 곡부가, 상기 탄성 매트의 면 방향에 있어서 헤링본 모양을 부여하는 [1] 또는 [2]에 기재된 탄성 매트.

[4] 상기 헤링본 모양에서의 변곡점이 1점이며, 상기 변곡점에서의 변곡각이 90° 이상인 [3]에 기재된 탄성 매트.

[5] 임의의 위치에서 접어 포개어진 [1]∼[4]의 어느 하나에 기재된 탄성 매트.

[6] 양극을 포함하는 양극실과,

[1]∼[5]의 어느 하나에 기재된 탄성 매트, 집전체 및 음극을 포함하는 음극실과,

상기 양극실과 상기 음극실 사이에 배치되는 이온 교환 막

을 구비하고,

상기 음극실에 있어서, 상기 탄성 매트가 상기 집전체와 음극의 사이에 배치되고,

상기 탄성 매트가, 상기 음극에 대하여, 상기 이온 교환 막을 향한 방향으로 압력을 인가하는 전해조.

[7] 도전성을 갖는 탄성 매트로서,

상기 탄성 매트의 두께가 2 mm를 초과하고,

(i) 상기 탄성 매트의 두께가 2 mm이 되도록 압박했을 때에 측정되는 상기 탄성 매트의 반발력이 5 kPa 이상 30 kPa 이하이며,

(ii) 상기 탄성 매트를 40 kPa의 압력으로 20초간 압축한 후, 상기 압력을 풀었을 때의 두께가 1 mm 이상인 탄성 매트.

본 발명의 탄성 매트는, 전해조에 적용했을 때, 적당한 상용 면압을 부여하여, 이온 교환 막에 대한 손상을 방지할 수 있음과 더불어, 높은 역차압 내성을 양립시킬 수 있다.

도 1은, 본 실시형태에 관한 탄성 매트의 일례를 도시하는 사시 모식도이다.
도 2는, 도 1의 X-X' 단면에 대응하는 부분 단면 모식도이다.
도 3은, 본 실시형태에 관한 탄성 매트에 있어서, 헤링본 모양을 갖는 양태의 일례를 도시하는 사시 모식도이다.
도 4는, 본 실시형태에서의 탄성 매트를 적용한 전해 셀의 일례를 도시하는 단면 모식도이다.
도 5는, 도 4의 전해 셀을 2개 직렬로 접속하는 경우의 설명도이다.
도 6은, 본 실시형태의 전해조의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 7은, 본 실시형태의 전해조를 조립하는 공정의 일례를 도시하는 설명도이다.
도 8의 (a)는, 실시예에서의, 탄성 매트의 산부의 높이, 오목부의 깊이, 곡부의 깊이 및 볼록부의 높이를 측정하기 위한 방법을 설명하기 위한 설명도이다. 도 8의 (b)는, 도 8의 (a)의 X-X' 단면에 대응하는 부분 단면 모식도이다.
도 9는, 실시예 1의 탄성 매트를 전해 셀에 내장할 때의 조작을 도시하는 부분 단면 모식도이다.
도 10은, 실시예 1의 탄성 매트와 비교예 1의 탄성 매트의 두께와 접촉 면압의 관계를 도시하는 그래프이다.
도 11은, 실시예 7의 탄성 매트의 구성을 도시하는 설명도이다.
도 12는, 실시예 8의 탄성 매트의 구성을 도시하는 설명도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태(이하, 「본 실시형태」라고 함)에 관해 상세히 설명한다. 또, 본 발명은 이하의 본 실시형태에 한정되는 것은 아니며, 그 요지의 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다. 또, 도면 중 상하 좌우 등의 위치 관계는, 특별히 언급하지 않는 한, 도면에 나타내는 위치 관계에 기초하는 것으로 한다. 또한, 도면의 치수 비율은 도시한 비율에 한정되는 것은 아니다.

[탄성 매트]

본 실시형태의 제1 양태에 관한 탄성 매트(이하, 「제1 탄성 매트」라고도 함)는, 도전성을 갖는 탄성 매트로서, 상기 탄성 매트가, 만곡되어 있는 것에 의해 형성되는 복수의 산부 및 곡부를 가지며, 상기 산부가, 상기 산부의 높이보다 작은 깊이를 갖는 오목부를 가지며, 상기 곡부가, 상기 곡부의 깊이보다 작은 높이를 갖는 볼록부를 갖는다. 제1 탄성 매트는, 상기와 같이, 단순히 산부 및 곡부를 갖는 형상(단순한 물결 형상)으로 하는 것이 아니라, 산부가 오목부를, 곡부가 볼록부를, 각각 갖도록 구성되어 있기 때문에, 역차압 내성을 향상시키면서도 적당히 상용 면압을 저감할 수 있고, 따라서 전해조에 적용했을 때, 적당한 상용 면압을 부여하여, 이온 교환 막에 대한 손상을 방지할 수 있다.

또한, 본 실시형태의 제2 양태에 관한 탄성 매트(이하, 「제2 탄성 매트」라고도 함)는, 도전성을 갖는 탄성 매트로서, 상기 탄성 매트의 두께가 2 mm를 초과하고, (i) 상기 탄성 매트의 두께가 2 mm이 되도록 압박했을 때에 측정되는 상기 탄성 매트의 반발력이 5 kPa 이상 30 kPa 이하이며, (ii) 상기 탄성 매트를 40 kPa의 압력으로 20초간 압축한 후, 상기 압력을 풀었을 때의 두께가 1 mm 이상이다. 제2 탄성 매트도, 상기와 같이, 소정의 파라미터가 소정의 범위 내에 있기 때문에, 역차압 내성을 향상시키면서도 적당히 상용 면압을 저감할 수 있고, 따라서 전해조에 적용했을 때, 적당한 상용 면압을 부여하여, 이온 교환 막에 대한 손상을 방지할 수 있다.

이하, 특별히 언급하지 않는 한, 「본 실시형태의 탄성 매트」라고 칭할 때에는, 제1 탄성 매트 및 제2 탄성 매트를 포함하는 것으로 한다.

전해를 실시할 때, 통상, 탄성 매트는 집전체와 음극의 사이에 배치되고, 전기를 음극에 전달함과 더불어, 음극으로부터 발생한 수소 가스를 집전체측에 저항없이 통과시키는 것이 바람직하다. 또한, 이 때, 이온 교환 막에 접해 있는 음극에 대하여 균일하게 막 손상이 생기지 않을 정도의 적절한 압력을 가하여, 이온 교환 막과 음극을 밀착시키도록 기능하는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 탄성 매트의 재질이나 사이즈를 적절하게 조정하는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 탄성 매트의 도전성으로는, 제로 갭 전해조에 탄성 매트를 적용하는 경우에 있어서, 인접하게 되는 집전체와의 전기적인 접속을 확보할 수 있을 정도의 도전성이면 되며, 예컨대 금속 재료, 그 밖의 도전성 재료를 사용하는 것에 의해 도전성을 갖는 것으로 할 수 있다. 금속 재료로는, 이하에 한정되지 않지만, 예컨대 니켈, 철, 코발트, 몰리브덴, 납, 이들의 합금 등을 사용할 수 있고, 도전성이나 전해액 및 전해 생성물에 대한 내성의 관점에서 니켈이 바람직하다.

본 실시형태에서는, 예컨대 상기 금속 재료로 이루어진 와이어(금속선)의 집합체를 이용함으로써, 바람직하게는, 상기 금속선을 복수 준비하여 직조하는 것에 의해, 쿠션 매트 형상의 탄성 매트 전구체를 구성할 수 있다. 이 경우의 와이어의 선직경으로는, 특별히 한정되지 않고, 여러가지 선직경으로 할 수 있지만, 쿠션 매트를 찌부러지기 어렵게 한다는 관점 및 이온 교환 막에 대한 압박이 과잉이 되지 않도록 한다는 관점에서, 0.05 mm∼0.25 mm이 바람직하다. 또한, 와이어 단선의 발생 확률을 낮춤으로써 보다 막 손상을 방지하기 쉽게 한다는 관점, 및 와이어로서의 탄성을 충분히 확보함으로써 면압 불균일의 발생을 효과적으로 방지한다는 관점에서, 0.10 mm∼0.25 mm이 보다 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.15 mm∼0.25 mm이며, 보다 더 바람직하게는 0.16 mm∼0.25 mm이며, 한층 더 바람직하게는 0.16 mm∼0.19 mm이다.

와이어를 직조하는 방법으로는 특별히 한정되지 않고, 여러가지 공지의 직조법을 채용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 예컨대 메리야스 짜기를 채용할 수 있다.

제1 탄성 매트는, 전술한 바와 같은 탄성 매트 전구체가 두께 방향으로 만곡되어, 복수의 산부 및 곡부를 갖는 것으로 하여 구성된다. 또한, 제1 탄성 매트는, 상기 산부가, 상기 산부의 높이보다 작은 깊이를 갖는 오목부를 가지며, 상기 곡부가, 상기 곡부의 깊이보다 작은 높이를 갖는 볼록부를 갖는다. 본 실시형태에서, 제2 탄성 매트도, 만곡되어 있는 것에 의해 형성되는 복수의 산부 및 곡부를 가지며, 상기 산부가, 상기 산부의 높이보다 작은 깊이를 갖는 오목부를 가지며, 상기 곡부가, 상기 곡부의 깊이보다 작은 높이를 갖는 볼록부를 갖는 것이 바람직하다.

도 1에 나타내는 예에서, 탄성 매트(1)는, 좌단에 산부(2)를 가지며, 이것에 인접하도록 곡부(3)가 형성되고, 산부(2)가 또 인접하여, 이러한 구성이 연속하여 우단의 곡부(3)에 이르는 구성을 갖는다. 도 1에 도시하는 예에서, 탄성 매트(1)는, 좌단의 산부(2)의 3개소에서 오목부(4)가 형성되어 있고, 우단의 곡부(3)에도 3개소에서 볼록부(5)가 형성되어 있다. 도 1에서는 부호를 생략하지만, 그 밖의 산부(2)에서도 3개소씩 오목부가 형성되어 있고, 다른 곡부(3)에서도 3개소씩 볼록부가 형성되어 있다.

탄성 매트에서의 산부, 곡부, 오목부 및 볼록부의 수는 특별히 한정되지 않고, 적절하게 설정할 수 있다. 전해조에 적용했을 때, 보다 적절한 상용 면압을 부여한다는 관점에서, 탄성 매트에서의 산부 및 곡부의 형성 방향에 대하여 직각 방향의 피치(즉, 인접하는 산부 또는 곡부의 정점간 거리)는 3∼15 mm이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5∼11 mm이며, 요철의 홈에 직각 방향의 피치는 3∼15 mm이 바람직하고, 보다 바람직하게는 5∼11 mm이다.

또, 도 1에 격자형으로 나타나 있는 선은, 설명의 편의상, 탄성 매트를 구성하는 선재를 나타내지만, 이러한 구성의 선재에 한정되지는 않고, 전술한 바와 같이 바람직하게는 선재를 메리야스 짜기한 구성을 갖는 쿠션 매트에 전술한 산부, 곡부, 오목부 및 볼록부가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

도 1에 도시하는 예에서, 좌단의 산부(2)는, 산부 형성 방향 α으로 연장되는 것이며, 산부 형성 방향 α에서 산부의 높이는 3개소의 오목부(4)를 제외하고 대략 일정하다. 또한, 우단의 곡부(3)는 곡부 형성 방향 β로 연장되는 것이며, 곡부 형성 방향 β에서 곡부의 높이는 3개소의 볼록부(5)를 제외하고 대략 일정하다. 도 1에서는, 복수의 산부 및 곡부는 그 형성 방향이 대략 평행하게 되어 있지만, 대략 평행한 관계가 아닌 탄성 매트도 본 실시형태에 포함되고, 균일한 상용 면압을 얻을 수 있다.

도 1의 탄성 매트(1)의 X-X' 단면의 중앙 부근에서의 부분적인 단면 모식도를 도 2에 나타낸다. 도 2에서의 점선 X-X'는 탄성 매트(1)의 두께 방향의 중심에 대하여 수직인 선이다. Y로 나타내는 형상은 오목부가 형성된 산부 및 볼록부가 형성된 곡부에 대응하고 있고, 도 2에서 전방에 위치한다. Z로 나타내는 형상은 오목부가 형성되어 있지 않은 산부 및 볼록부가 형성되어 있지 않은 곡부에 대응하고 있고, 도 2에서 후방에 위치한다.

점선 X-X'로부터, 오목부가 형성되어 있지 않은 산부의 최고점까지의 수선으로 나타내는 높이 h1이 「산부의 높이」에 대응한다. 또한, 상기 산부의 최고점으로부터 오목부의 최저점까지의 거리로 나타내는 높이 h2가 「오목부의 깊이」에 대응한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 탄성 매트에서 h1>h2의 관계가 성립된다.

또한, 점선 X-X'로부터, 볼록부가 형성되어 있지 않은 곡부의 최저점까지의 수선으로 나타내는 높이 h3이 「곡부의 깊이」에 대응한다. 또한, 상기 곡부의 최저점으로부터 볼록부의 최고점까지의 거리로 나타내는 높이 h4가 「오목부의 높이」에 대응한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시형태의 탄성 매트에서 h3>h4의 관계가 성립된다.

산부, 곡부, 오목부 및 볼록부의 관계가 상기를 만족시키는 것에 의해, 본 실시형태의 탄성 매트는 전해조에 적용했을 때, 적당한 상용 면압을 부여하여, 이온 교환 막에 대한 손상을 방지할 수 있다.

상기와 동일한 관점에서, h1의 값은, 1.8∼3.0 mm이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2.0∼2.8 mm이며, h2의 값은, 0.6∼2.2 mm이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.8∼2.0 mm이며, h3의 값은, 1.8∼3.0 mm이 바람직하고, 보다 바람직하게는 2.0∼2.8 mm이며, h4의 값은, 0.6∼2.2 mm이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.8∼2.0 mm이다.

본 실시형태에서는, 산부 및 곡부가, 탄성 매트의 면 방향에 있어서, 헤링본 모양을 부여하는 것이 바람직하다. 헤링본 모양은, 도 3에 도시하는 바와 같이, 1의 산부의 형성 방향 γ과 다른 산부의 형성 방향 γ'이 이루는 변곡각 θ로 모양이 변곡되는 변곡점(6)을 갖는 것이다. 이와 같이, 헤링본 모양에서의 변곡점이 1점이며, 상기 변곡점에서의 변곡각이 90°이상인 것이 바람직하다. 본 실시형태에 있어서, 산부, 곡부, 오목부 및 볼록부의 형상이 보다 균일하면, 보다 균일한 반발 특성이 얻어지는 경향이 있고, 이러한 관점에서, 탄성 매트의 형상을 조정하는 것이 바람직하다. 이하에 한정되지 않지만, 변곡점의 수나 편곡각의 크기가 반발 특성에 영향을 미치는 것도 고려되어, 예컨대 전술한 관점에서 변곡점의 수를 하나로 할 수 있고, 변곡각 θ는 90°이상으로 할 수 있고, 바람직하게는 130∼160°이다.

본 실시형태의 탄성 매트의 두께는, 특별히 한정되지 않고, 목적으로 하는 전해조에서의 양극과 음극실에 설치되는 집전체와의 거리나 탄성 매트의 유연성 등을 고려하여 적절하게 설정하면 된다. 본 실시형태의 탄성 매트의 두께는, 전형적인 전해조를 상정하는 경우, 예컨대 0.5 mm∼20 mm 정도로 할 수 있고, 3 mm∼15 mm이 바람직하고, 4 mm∼10 mm이 보다 바람직하다. 본 실시형태의 탄성 매트의 두께는, 예컨대 주식회사 이마다 제작소 제조의 인장 압축 시험기(상품명 SDT-201NA-SH)를 사용하여 측정할 수 있고, 보다 구체적으로는 후술하는 실시예에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다.

본 실시형태의 탄성 매트의 유연성으로는, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 상용시에 발생하는 면압이 2 kPa∼40 kPa의 범위인 것을 이용할 수 있다. 상용시에 발생하는 면압이 2 kPa 이상이면, 이온 교환 막에 대한 압박력이 충분히 커지는 경향이 있고, 40 kPa 이하이면, 이온 교환 막에 대한 압박력이 지나치게 커지는 것을 방지할 수 있는 경향이 있다. 같은 관점에서, 상용시에 발생하는 면압이 13 kPa∼34 kPa의 범위인 것을 이용하는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 탄성 매트는, 임의의 위치에서 절첩하여 사용할 수도 있고, 절첩하지 않고 사용할 수도 있고, 복수매를 겹쳐서 사용할 수도 있다. 또, 전술한 바와 같이, 본 실시형태의 탄성 매트는, 단순히 산부 및 곡부를 갖는 형상으로 하는 것은 아니고, 산부가 오목부를, 곡부가 볼록부를, 각각 갖도록 구성되어 있기 때문에, 역차압 내성을 향상시키면서도 적당하게 상용 면압을 저감할 수 있는 것이다. 따라서, 본 실시형태의 탄성 매트는, 복수매를 겹쳐서 사용하지 않더라도(1장만 사용하는 경우에도) 제로 갭 구조의 유지와 막 손상의 방지를 양립시킬 수 있다.

본 실시형태에 있어서, 전해를 실시할 때, 전술한 바와 같이 탄성 매트를 집전체에 부착하는 것이 바람직하다. 그 부착 방법으로는, 특별히 한정되지 않고, 예컨대 스폿 용접으로 적절하게 고정하는 방법, 수지제의 핀이나 금속제의 와이어 등으로 고정하는 방법 등을 들 수 있다. 한편, 전해조에 대한 부착의 용이성의 관점 및 탄성 매트를 구성할 수 있는 선재의 단선을 방지한다는 관점에서, 탄성 매트의 4변을 각각을 집전체에 접어 넣은 상태로 사용하는 것이 전술한 고정 방법보다 바람직하다.

제2 탄성 매트에 있어서, 상기 탄성 매트의 두께가 2 mm이 되도록 압박했을 때에 측정되는 상기 탄성 매트의 반발력(이하, 「파라미터(i)」라고도 함)이 5 kPa 이상 30 kPa 이하이며, 또한 상기 탄성 매트를 40 kPa의 압력으로 20초간 압축한 후, 상기 압력을 풀었을 때의 두께(이하, 「파라미터(ii)」라고도 함)가 1 mm 이상이다. 제2 탄성 매트는, 파라미터(i)가 5 kPa 이상이므로 충분한 압박으로 전극과 이온 교환 막이 접촉하기 때문에 전해 성능이 우수하고, 30 kPa 이하이므로 적당한 압박이기 때문에, 이온 교환 막에 대한 압박이 지나치게 강하지 않아, 이온 교환 막의 손상 방지가 우수하다. 이러한 관점에서, 제2 탄성 매트에 있어서, 파라미터(i)는 7 kPa 이상 28 kPa 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 9 kPa 이상 27 kPa 이하이다.

또한, 제2 탄성 매트는, 파라미터(ii)가 1 mm 이상이기 때문에 전해 성능이 우수하다. 이러한 관점에서, 파라미터(ii)는 1.2 mm 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.5 mm 이상, 보다 더 바람직하게는 2.0 mm 이상이다.

파라미터(i) 및 (ii)는, 구체적으로는, 후술하는 실시예에 기재된 방법에 의해 측정할 수 있다. 또한, 이들 파라미터는, 예컨대 탄성 매트의 면 방향에서 반발력에 구배를 부여하는 것 등에 의해 상기 범위로 조정할 수 있다. 이러한 조정 방법의 일례에 관해서는 후술한다.

〔탄성 매트의 제조 방법〕

본 실시형태의 탄성 매트의 제조 방법으로는, 특별히 한정되지 않지만, 다음 공정을 포함하는 것으로 할 수 있다.

우선, 도전성의 탄성 부재를 이용하여 목적으로 하는 형상을 갖는 탄성 매트 전구체를 제조한다.

이어서, 전술한 바와 같은 산부, 곡부, 오목부 및 볼록부에 대응하는 형상을 갖는 금형을 준비하고, 이것에 의해 탄성 매트 전구체에 대하여 목적으로 하는 형상을 부여한다.

상기 방법 외에, 탄성 매트 전구체에 대하여, 톱니끝 사이의 거리를 적절하게 조정한 톱니바퀴 롤을 적용하는 것에 의해서도 본 실시형태의 탄성 매트를 제조할 수 있다.

전술한 바와 같이, 탄성 매트에는, 어느 정도의 역차압을 받더라도 제로 갭을 유지할 수 있을 정도로 그 형상을 유지할 수 있는 것(역차압 내성)이 요구되고, 또한 상용 면압이 과도하게 높아지지 않도록 하는 것도 요구된다. 역차압 내성을 높이기 위해 튼튼한 탄성 매트로 하는 경우, 상용 면압이 높아지는 경향이 있어, 막 손상을 일으킬 가능성이 높아진다. 한편, 상용 면압을 낮게 하기 위해 유연한 탄성 매트로 하는 경우, 역차압 내성이 저하되는 경향이 있어, 제로 갭의 유지가 어려워진다. 이와 같이, 제로 갭 구조의 유지와 막 손상의 방지의 사이에는 트레이드 오프의 관계가 있고, 즉, 종래 기술에 있어서, 파라미터(i)를 적절한 범위로 하는 것과, 파라미터(ii)를 적절한 범위로 하는 것의 사이에는 트레이드 오프의 관계가 있다고 할 수 있다. 제2 탄성 매트는, 이러한 종래 기술의 과제를 해결하는 것이며, 예컨대 제2 탄성 매트에 해당하고 제1 탄성 매트에 해당하지 않는 것은 다음과 같이 제조할 수 있다.

우선, 목적으로 하는 사이즈의 1장의 탄성 매트(제1 탄성 매트에 해당하지 않는 것)을 준비하고, 이것을 예컨대 3 이상의 영역으로 구분한다. 이어서, 적어도 하나의 영역을 압축 처리하여, 두께를 저감시킴과 더불어 상용 면압을 낮추는 것에 의해, 제2 탄성 매트를 제조할 수 있다. 압축 처리 실시 완료 영역과 압축 처리 미실시 영역의 배치에 관해서는 특별히 한정되지 않고, 예컨대 압축 처리 미실시 영역, 압축 처리 실시 완료 영역 및 압축 처리 미실시 영역의 순으로 교대로 배치(후술하는 실시예 7; 도 11 참조)하거나, 압축 처리 실시 완료 영역, 압축 처리 미실시 영역 및 압축 처리 실시 완료 영역의 순으로 교대로 배치(후술하는 실시예 8; 도 12 참조)하는 것이 바람직하다.

또한, 제2 탄성 매트에 해당하고 또한 제1 탄성 매트에 해당하지 않는 것의 제조 방법은, 상기 예에 한정되지 않고, 예컨대 다음과 같이 제조할 수도 있다.

우선, 목적으로 하는 사이즈의 1장의 탄성 매트(제1 탄성 매트에 해당하지 않는 것)를 준비하고, 이것을 예컨대 3 이상의 영역으로 분할한 샘플을 준비한다. 이어서, 이 샘플 중의 적어도 하나를 압축 처리하여, 두께를 저감시킴과 더불어 상용 면압을 낮춘다. 또한, 예컨대 압축 처리 실시 완료 샘플과 압축 처리 미실시 샘플의 측면(전해조 운전시에 전극이나 집전체와 접하지 않는 면)끼리를 일체화시키는 것 등에 의해, 압축 처리 실시 완료 영역과 압축 처리 미실시 영역을 갖는 제2 탄성 매트를 제조할 수 있다. 여기서의 일체화로는, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 각 샘플에서의 와이어끼리 얽히게 하거나 용접함으로써 일체화시켜도 좋고, 도전성을 갖는 접착제로 일체화시켜도 좋다. 압축 처리 실시 완료 샘플과 압축 처리 미실시 샘플의 배치에 관해서는, 특별히 한정되지 않고, 예컨대 압축 처리 미실시 영역, 압축 처리 실시 완료 영역 및 압축 처리 미실시 영역의 순으로 교대로 배치하거나, 압축 처리 실시 완료 영역, 압축 처리 미실시 영역 및 압축 처리 실시 완료 영역의 순으로 교대로 배치하는 것이 바람직하다.

또, 전술한 예와 같이 하여 얻어지는 탄성 매트에 있어서, 예컨대 압축 처리 실시 완료 영역과 압축 처리 미실시 영역의 면적비를 조정하는 것 등에 의해, 파라미터(i)의 값을 제어할 수 있다. 예컨대, 압축 처리 실시 완료 영역의 합계 면적 S1과 압축 처리 미실시 영역의 합계 면적 S2의 면적비 S1/S2를 증가시킴으로써 파라미터(i)는 감소하는 경향이 있고, 이 경우, 파라미터(ii)는 거의 변화하지 않는 경향이 있다. 파라미터(ii)의 값에 관해서는, 탄성 매트를 구성하는 금속 재료로서, 예컨대 니켈, 철, 코발트, 몰리브덴, 납, 이들의 합금 등을 사용하거나, 이들 금속 재료로 이루어진 와이어의 선직경을, 예컨대 0.05 mm∼0.25 mm 정도로 조정하는 등에 의해 전술한 범위로 조정할 수 있다.

[전해조]

본 실시형태의 전해조는, 양극을 포함하는 양극실과, 본 실시형태의 탄성 매트, 집전체 및 음극을 포함하는 음극실과, 상기 양극실과 상기 음극실 사이에 배치되는 이온 교환 막을 구비하고, 상기 음극실에 있어서, 상기 탄성 매트가 상기 집전체와 음극의 사이에 배치되고, 상기 탄성 매트가, 상기 음극에 대하여, 상기 이온 교환 막을 향한 방향으로 압력을 인가하는 것이다. 이러한 구성의 전해조는, 이온 교환 막의 손상이 방지되어, 안정적으로 운전을 행할 수 있다. 본 실시형태에 있어서, 양극실과 음극실을 조합한 것을 전해 셀로 칭하고, 이하에 상세히 설명한다.

(전해 셀)

도 4는, 본 실시형태의 전해조를 구성하는 전해 셀의 일례를 단면 모식도로서 도시한 것이다. 전해 셀(100)은, 양극실(10)과, 음극실(20)과, 양극실(10)과 음극실(20)을 격리하는 격벽(30)과, 양극실(10)에 설치된 양극(11)과, 음극실(20)에 설치된 음극(21)을 구비한다. 하나의 전해 셀(100)에 속하는 양극(11) 및 음극(21)은 서로 전기적으로 접속되어 있다.

또한, 음극실(20)은, 음극실(20) 내에 설치된 음극(21)과, 집전체(23)와, 상기 집전체를 지지하는 지지체(24)와, 탄성 매트(1)를 더 갖는다. 탄성 매트(1)는, 집전체(23)와 음극(21)의 사이에 설치되어 있다. 지지체(24)는, 집전체(23)와 격벽(30)의 사이에 설치되어 있다. 집전체(23)는, 탄성 매트(1)를 통해 음극(21)과 전기적으로 접속되어 있다. 격벽(30)은, 지지체(24)를 통해 집전체(23)와 전기적으로 접속되어 있다. 따라서, 격벽(30), 지지체(24), 집전체(23), 탄성 매트(1) 및 음극(21)은 전기적으로 접속되어 있다. 음극(21) 및 역전류 흡수체는, 직접 접속되어 있어도 좋고, 집전체, 지지체, 금속 탄성체 또는 격벽 등을 통해 간접적으로 접속되어 있어도 좋다. 음극(21)의 표면 전체는 환원 반응을 위한 촉매층으로 피복되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 전기적 접속의 형태는, 격벽(30)과 지지체(24), 지지체(24)와 집전체(23), 집전체(23)와 탄성 매트(1)가 각각 직접 부착되고, 탄성 매트(1) 상에 음극(21)이 적층되는 형태이어도 좋다. 이들 각 구성 부재를 서로 직접 부착하는 방법으로서, 용접이나 전술한 접어 넣기 등을 들 수 있다.

집전체(23)와 음극(21) 사이에 탄성 매트(1)가 설치되는 것에 의해, 직렬로 접속된 복수의 전해 셀(100)의 각 음극(21)이 이온 교환 막(2)에 압박되고, 각 양극(11)과 각 음극(21) 사이의 거리가 짧아져, 직렬로 접속된 복수의 전해 셀(100) 전체에 가해지는 전압을 낮출 수 있다. 전압이 낮아지는 것에 의해, 소비 전량을 낮출 수 있다. 본 실시형태의 탄성 매트에 의하면, 전술한 바와 같이 적당한 상압 면압으로 이온 교환 막에 압력을 인가할 수 있기 때문에, 전류 효율을 유지하면서 제로 갭의 구성을 취할 수 있고, 또한 이온 교환 막의 손상도 바람직하게 방지할 수 있다.

또한, 탄성 매트의 위에는 직접 음극을 중첩할 수도 있고, 별도의 도전성 부재를 통해 음극을 중첩하는 구성이어도 좋다. 제로 갭에 사용할 수 있는 음극으로는, 선직경이 작고 메쉬 수가 작은 음극이 유연성도 높고 바람직하다. 이러한 음극을 구성하는 선재로는 특별히 한정되지 않지만, 선직경 0.1∼0.5 mm이고, 메쉬 구멍 크기가 20 메쉬∼80 메쉬 정도의 범위인 것을 사용할 수도 있다.

도 5는, 본 실시형태의 전해조(4) 내에서 인접하는 2개의 전해 셀(100)의 단면도이다. 도 6은, 전해조(400)를 나타낸다. 도 7은, 전해조(400)를 조립하는 공정을 나타낸다. 도 5에 도시하는 바와 같이, 전해 셀(100), 이온 교환 막(2), 전해 셀(100)이 이 순서로 직렬로 나열되어 있다. 전해조 내에서 인접하는 2개의 전해 셀 중 한쪽 전해 셀(100)의 양극실과 다른쪽 전해 셀(100)의 음극실 사이에 이온 교환 막(2)이 배치되어 있다. 즉, 전해 셀(100)의 양극실(10)과, 이것에 인접하는 전해 셀(100)의 음극실(20)은, 이온 교환 막(2)으로 격리되어 있다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 전해조(400)는, 이온 교환 막(2)을 통해 직렬로 접속된 복수의 전해 셀(100)로 구성된다. 즉, 전해조(400)는, 직렬로 배치된 복수의 전해 셀(100)과, 인접하는 전해 셀(100)의 사이에 배치된 이온 교환 막(2)을 구비하는 복극식 전해조이다. 도 7에 도시하는 바와 같이, 전해조(400)는, 이온 교환 막(2)을 통해 복수의 전해 셀(100)을 직렬로 배치하여, 프레스기(500)에 의해 연결되는 것에 의해 조립된다.

전해조(400)는, 전원에 접속되는 양극 단자(700)와 음극 단자(600)를 갖는다. 전해조(400) 내에서 직렬로 연결된 복수의 전해 셀(100) 중 가장 끝에 위치하는 전해 셀(100)의 양극(11)은, 양극 단자(700)에 전기적으로 접속된다. 전해조(400) 내에서 직렬로 연결된 복수의 전해 셀(2) 중 양극 단자(700)의 반대측의 끝에 위치하는 전해 셀의 음극(21)은, 음극 단자(600)에 전기적으로 접속된다. 전해시의 전류는, 양극 단자(700)측으로부터, 각 전해 셀(100)의 양극 및 음극을 경유하여, 음극 단자(600)로 향하여 흐른다. 또, 연결한 전해 셀(100)의 양끝에는, 양극실만을 갖는 전해 셀(양극 터미널 셀)과, 음극실만을 갖는 전해 셀(음극 터미널 셀)을 배치해도 좋다. 이 경우, 그 한쪽 끝에 배치된 양극 터미널 셀에 양극 단자(700)가 접속되고, 다른쪽 끝에 배치된 음극 터미널 셀에 음극 단자(600)가 접속된다.

염수의 전해를 행하는 경우, 각 양극실(10)에는 염수가 공급되고, 음극실(20)에는 순수 또는 저농도의 수산화나트륨 수용액이 공급된다. 각 액체는, 전해액 공급관(도시 생략)으로부터, 전해액 공급 호스(도시 생략)를 경유하여, 각 전해 셀(100)에 공급된다. 또한, 전해액 및 전해에 의한 생성물은, 전해액 회수관(도시 생략)으로부터 회수된다. 전해에 있어서, 염수중의 나트륨 이온은, 한쪽의 전해 셀(100)의 양극실(10)로부터, 이온 교환 막(2)을 통과하여 이웃하는 전해 셀(100)의 음극실(20)로 이동한다. 따라서, 전해 중의 전류는, 전해 셀(100)이 직렬로 연결된 방향을 따라 흐르게 된다. 즉, 전류는, 이온 교환 막(2)을 통해 양극실(10)로부터 음극실(20)을 향해 흐른다. 염수의 전해에 따라, 양극(11)측에서 염소 가스가 생성되고, 음극(21)측에서 수산화나트륨(용질)과 수소 가스가 생성된다.

(격벽)

격벽(30)은, 세퍼레이터라고 불리는 경우도 있으며, 양극실(10)과 음극실(20) 사이에 배치되어 양극실(10)과 음극실(20)을 구획하는 것이다. 격벽(30)으로는, 전해용의 세퍼레이터로서 공지된 것을 사용할 수 있고, 예컨대 음극측에 니켈, 양극측에 티탄으로 이루어진 판을 용접한 격벽 등을 들 수 있다.

(양극실)

양극실(10)은 양극(11)을 갖는다. 또한, 양극실(10)은, 양극실(10)에 전해액을 공급하는 양극측 전해액 공급부와, 양극측 전해액 공급부의 상측에 배치되고, 격벽(30)과 대략 평행하게 혹은 경사지게 배치된 배플판과, 배플판의 상측에 배치되고, 기체가 혼입한 전해액으로부터 기체를 분리하는 양극측 기액 분리부를 갖는 것이 바람직하다.

(양극)

양극실(10)의 프레임 내에는 양극(11)이 설치되어 있다. 양극(11)으로는, 소위 DSA(등록상표 : De Nora Permelec 주식회사) 등의 금속 전극을 이용할 수 있다. DSA란, 루테늄, 이리듐, 티탄을 성분으로 하는 산화물에 의해 표면이 피복된 티탄 기재이다.

본 실시형태에 있어서, 격막으로서 사용하는 이온 교환 막의 손상의 관점에서, 전해조에서의 양극과 상기 역전류 흡수 부재의 거리가 35 mm∼0.1 mm인 것이 바람직하다.

(양극측 전해액 공급부)

양극측 전해액 공급부는, 양극실(10)에 전해액을 공급하는 것이며, 전해액 공급관에 접속된다. 양극측 전해액 공급부는, 양극실(10)의 하측에 배치되는 것이 바람직하다. 양극측 전해액 공급부로는, 예컨대 표면에 개구부가 형성된 파이프(분산 파이프) 등을 이용할 수 있다. 이러한 파이프는, 양극(11)의 표면을 따라, 전해 셀의 바닥부(19)에 대하여 평행하게 배치되어 있는 것이 보다 바람직하다. 이 파이프는, 전해 셀(100) 내에 전해액을 공급하는 전해액 공급관(액공급 노즐)에 접속된다. 액공급 노즐로부터 공급된 전해액은 파이프에 의해 전해 셀(100) 내까지 반송되고, 파이프의 표면에 설치된 개구부로부터 양극실(10)의 내부에 공급된다. 파이프를, 양극(11)의 표면을 따라 전해 셀의 바닥부(19)에 평행하게 배치함으로써, 양극실(10)의 내부에 균일하게 전해액을 공급할 수 있기 때문에 바람직하다.

(양극측 기액 분리부)

양극측 기액 분리부는, 배플판의 상측에 배치되는 것이 바람직하다. 전해 중에 있어서, 양극측 기액 분리부는, 염소 가스 등의 생성 가스와 전해액을 분리하는 기능을 갖는다. 또한, 특별히 언급하지 않는 한, 상측이란, 도 4의 전해 셀(100)에서의 상방향을 의미하고, 하측이란, 도 4의 전해 셀(100)에서의 하방향을 의미한다.

전해시, 전해 셀(100)에서 발생한 생성 가스와 전해액이 혼상(기액 혼상)이 되어 계외로 배출되면, 전해 셀(100) 내부의 압력 변동에 의해 진동이 발생하고, 이온 교환 막의 물리적인 파손을 일으키는 경우가 있다. 이것을 억제하기 위해, 본 실시형태의 전해 셀(100)에는, 기체와 액체를 분리하기 위한 양극측 기액 분리부가 설치되어 있는 것이 바람직하다. 양극측 기액 분리부에는, 기포를 소거하기 위한 소포판이 설치되는 것이 바람직하다. 기액 혼상류가 소포판을 통과할 때에 기포가 터지는 것에 의해 전해액과 가스로 분리할 수 있다. 그 결과, 전해시의 진동을 방지할 수 있다.

(배플판)

배플판은, 양극측 전해액 공급부의 상측에 배치되고, 또한 격벽(30)과 대략 평행하게 또는 경사지게 배치되는 것이 바람직하다. 배플판은, 양극실(10)의 전해액의 흐름을 제어하는 구획판이다. 배플판을 설치함으로써, 양극실(10)에서 전해액(염수 등)을 내부 순환시켜 그 농도를 균일하게 할 수 있다. 내부 순환을 일으키기 위해, 배플판은, 양극(11) 근방의 공간과 격벽(30) 근방의 공간을 격리하도록 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 배플판은, 양극(11) 및 격벽(30)의 각 표면에 대향하도록 설치되어 있는 것이 바람직하다. 배플판에 의해 구획된 양극 근방의 공간에서는, 전해가 진행되는 것에 의해 전해액 농도(염수 농도)가 내려가고, 또한 염소 가스 등의 생성 가스가 발생한다. 이것에 의해, 배플판에 의해 구획된 양극(11) 근방의 공간과, 격벽(30) 근방의 공간에서 기액의 비중차가 생긴다. 이것을 이용하여, 양극실(10)에서의 전해액의 내부 순환을 촉진시켜, 양극실(10)의 전해액의 농도 분포를 보다 균일하게 할 수 있다.

또한, 도 4에 도시하지 않지만, 양극실(10)의 내부에 집전체를 별도로 설치해도 좋다. 이러한 집전체로는, 후술하는 음극실의 집전체와 동일한 재료나 구성으로 할 수도 있다. 또한, 양극실(10)에서는, 양극(11) 자체를 집전체로서 기능시킬 수도 있다.

(음극실)

음극실(20)은, 음극(21)과 역전류 흡수체를 가지며, 음극(21)과 역전류 흡수체는 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 음극실(20)도 양극실(10)과 마찬가지로, 음극측 전해액 공급부, 음극측 기액 분리부, 배플판을 갖고 있는 것이 바람직하다. 또, 음극실(20)을 구성하는 각 부위 중, 양극실(10)을 구성하는 각 부위와 동일한 것에 관해서는 설명을 생략한다.

(집전체)

음극실(20)은 집전체(23)를 구비하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 집전 효과가 높아진다. 도 4에 도시하는 예에서는, 집전체(23)은 판형이며, 본 실시형태에서는, 집전체의 표면과 음극(21)의 표면이 대략 평행해지도록 배치되는 것이 바람직하다. 이와 같은 집전체에 의하면, 후술하는 금속 탄성체의 변형을 억제하면서 집전 효과를 얻을 수 있는 경향이 있다.

집전체(23)로는, 예컨대 니켈, 철, 구리, 은, 티탄 등의 전기 전도성이 있는 금속으로 이루어진 것이 바람직하다. 집전체(23)는, 이들 금속의 혼합물, 합금 또는 복합 산화물이어도 좋다. 또, 집전체(23)의 형상은, 집전체로서 기능하는 형상이라면 어떠한 형상이어도 좋고, 그물형이어도 좋다.

(지지체)

음극실(20)은, 집전체(23)와 격벽(30)을 전기적으로 접속하는 지지체(24)를 구비하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 효율적으로 전류를 흘릴 수 있다.

지지체(24)는, 니켈, 철, 구리, 은, 티탄 등 전기 전도성을 갖는 금속으로 이루어진 것이 바람직하다. 또한, 지지체(24)의 형상으로는, 집전체(23)를 지지할 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이어도 좋고, 막대형, 판형 또는 그물형일 수 있다. 도 4에 도시하는 양태에서는, 지지체(24)는 판형이며, 바람직하게는 금속판을 L자형으로 굽힌 구성을 갖는다. 복수의 지지체(24)는, 격벽(30)과 집전체(23) 사이에 배치된다. 복수의 지지체(24)는, 각각의 면이 서로 평행해지도록 나열되어 있다. 지지체(24)는, 격벽(30) 및 집전체(23)에 대하여 대략 수직으로 배치되어 있다.

(배플판)

배플판은, 음극측 전해액 공급부의 상측에 배치되고, 또한 격벽(30)과 대략 평행하게 혹은 비스듬히 배치되는 것이 바람직하다. 배플판은, 음극실(20)의 전해액의 흐름을 제어하는 구획판이다. 배플판을 설치함으로써, 음극실(20)에서 전해액(염수 등)을 내부 순환시켜 그 농도를 균일하게 할 수 있다. 내부 순환을 일으키기 위해, 배플판은, 음극(21) 근방의 공간과 격벽(30) 근방의 공간을 격리하도록 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 배플판은, 음극(21) 및 격벽(30)의 각 표면에 대향하도록 설치되어 있는 것이 바람직하다. 배플판에 의해 구획된 음극근방의 공간에서는, 전해가 진행되는 것에 의해 전해액 농도(염수 농도)가 내려가고, 또한 수소 가스 등의 생성 가스가 발생한다. 이것에 의해, 배플판에 의해 구획된 음극(21) 근방의 공간과 격벽(30) 근방의 공간에서 기액의 비중차가 생긴다. 이것을 이용하여, 음극실(20)에서의 전해액의 내부 순환을 촉진시켜, 음극실(20)의 전해액의 농도 분포를 보다 균일하게 할 수 있다.

(양극측 개스킷, 음극측 개스킷)

양극측 개스킷(51)은, 양극실(10)을 구성하는 프레임체 표면에 배치되는 것이 바람직하다. 음극측 개스킷(50)은, 음극실(20)을 구성하는 프레임체 표면에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 하나의 전해 셀이 구비하는 양극측 개스킷(51)과, 이것에 인접하는 전해 셀의 음극측 개스킷(50)이, 이온 교환 막(2)을 사이에 끼우도록 전해 셀끼리 접속된다(도 6 참조). 이들 개스킷에 의해, 이온 교환 막(2)을 통해 복수의 전해 셀(100)을 직렬로 접속할 때 접속 개소에 기밀성을 부여할 수 있다.

개스킷이란, 이온 교환 막과 전해 셀 사이를 시일하는 것이다. 개스킷의 구체예로는, 중앙에 개구부가 형성된 액자형의 고무제 시트 등을 들 수 있다. 개스킷에는, 부식성의 전해액이나 생성되는 가스 등에 대하여 내성을 가지며, 장기간 사용할 수 있는 것이 요구된다. 따라서, 내약품성이나 경도의 관점에서, 통상, 에틸렌ㆍ프로필렌ㆍ디엔 고무(EPDM 고무), 에틸렌ㆍ프로필렌 고무(EPM 고무)의 가황품이나 과산화물 가교품 등이 개스킷으로서 이용된다. 또한, 필요에 따라 액체에 접하는 영역(접액부)을 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이나 테트라플루오로에틸렌ㆍ퍼플루오로알킬비닐에테르 중합체(PFA) 등의 불소계 수지로 피복한 개스킷을 이용할 수도 있다. 이들 개스킷은, 전해액의 흐름을 방해하지 않도록 각각 개구부를 갖고 있으면 되며, 그 형상은 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 양극실(10)을 구성하는 양극실 프레임 또는 음극실(20)을 구성하는 음극실 프레임의 각 개구부의 둘레 가장자리를 따라, 액자형의 개스킷이 접착제 등으로 접착된다. 그리고, 예컨대 이온 교환 막(2)을 통해 2체의 전해 셀(100)을 접속하는 경우(도 6 참조), 이온 교환 막(2)을 통해 개스킷을 접착한 각 전해 셀(100)을 체결하면 된다. 이것에 의해, 전해액, 전해에 의해 생성되는 알칼리 금속 수산화물, 염소 가스, 수소 가스 등이 전해 셀(100)의 외부로 새는 것을 억제할 수 있다.

(이온 교환 막)

이온 교환 막(2)은, 특별히 한정되지 않고, 공지된 것을 이용할 수 있다. 예컨대, 염화알칼리 등의 전기 분해에 의해 염소와 알칼리를 제조하는 경우, 내열성 및 내약품성 등이 우수하다고 하는 관점에서, 함불소계 이온 교환 막이 바람직하다. 함불소계 이온 교환 막으로는, 전해시에 발생하는 이온을 선택적으로 투과하는 기능을 가지며, 또한 이온 교환기를 갖는 함불소계 중합체를 포함하는 것 등을 들 수 있다. 여기서 말하는 이온 교환기를 갖는 함불소계 중합체란, 이온 교환기, 또는, 가수분해에 의해 이온 교환기가 될 수 있는 이온 교환기 전구체를 갖는 함불소계 중합체를 말한다. 이와 같은 함불소계 중합체로는, 예컨대 불소화 탄화수소의 주쇄로 이루어지고, 가수분해 등에 의해 이온 교환기로 변환 가능한 작용기를 팬던트 측쇄로서 가지며, 또한 용융 가공이 가능한 중합체 등을 들 수 있다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 실시형태를 상세히 설명한다. 또, 본 실시형태는 이하의 실시예에 한정되는 것이 아니다.

[실시예 1]

(탄성 매트의 제조)

도전성 재료로서, 선직경 0.17 mm의 Ni 와이어를 메리야스 뜨기하는 것에 의해 메쉬 구멍 크기 1.5×2.5 mm의 편물로 이루어진 탄성 매트 전구체 1을 얻었다. 이 탄성 매트 전구체에 나선각 θ이 15°(변곡각 150°)인 헤링본 모양 톱니바퀴 롤(톱니바퀴 롤 1)로 모양을 부여하여, 탄성 매트 전구체 2를 얻었다. 이 조작에 의해 산부 및 곡부가 형성되고, 탄성 매트 전구체 2의 두께로는 4.7 mm였다.

계속해서, 톱니끝 사이의 거리가 상이한 것 외에는 톱니바퀴 롤 1과 동일한 톱니바퀴 롤(톱니바퀴 롤 2)을 준비하고, 탄성 매트 전구체 2에서의 산부에 오목부를, 곡부에 볼록부를, 모두 고저차 1.1 mm이 되도록 각각 형성하여, 실시예 1에 관한 탄성 매트(1.2 m×2.4 m)를 얻었다. 이 때, 탄성 매트 전구체 2에 대하여, 톱니바퀴 롤 1에 의해 전사된 헤링본의 의장을 반전시킨 의장이 다시 전사되도록 톱니바퀴 롤 2를 사용했다.

얻어진 탄성 매트의 산부의 높이, 오목부의 깊이, 곡부의 깊이 및 볼록부의 높이에 관해서는, 도 8의 (a)에 도시하는 바와 같이, 일정한 굵기를 갖는 측정용의 막대를 복수 탄성 매트에 얹고, 도 8의 (b)에 도시하는 바와 같이, 탄성 매트의 배치면 L1과, 상기 복수의 막대에 의해 형성되는 가상 상면 L3과 가상 하면 L2를 이용하여 각 치수를 취하는 것에 의해 측정했다.

또, 탄성 매트 전구체 및 탄성 매트의 두께는, 고정된 측정대 및 상하로 가동인 측정용 판(100 mm 사방; 면적 10,000 ㎟)을 구비하는 인장 압축 시험기(주식회사 이마다 제작소 제조; 상품명 SDT-201NA-SH)를 사용하여, 다음과 같이 측정했다.

우선, 인장 압축 시험기의 측정대에 아무것도 배치되지 않은 상태에서, 측정용 판을 하강하여 접촉시키고, 그 때의 측정용 판의 위치를 높이 0으로 했다. 이어서, 측정용 판을 상승시켜, 탄성 매트 전구체 또는 탄성 매트를 인장 압축 시험기의 측정대에 배치하고, 다시 측정용 판을 하강시켜 탄성 매트 전구체 또는 탄성 매트와 접촉시킨 후, 반력이 면압 환산으로 0.1 kPa가 되도록 측정용 판의 위치를 조정했다. 그 때의 측정용 판의 높이를 탄성 매트 전구체 또는 탄성 매트의 두께로 했다. 이하의 실시예 및 비교예에 관해서도 동일하게 두께(초기 두께)를 측정했다.

(전해 셀의 제조)

횡폭이 2400 mm, 높이가 1289 mm인 제로 갭 전해 셀을 다음과 같이 준비했다. 사이즈 1149 mm×2347 mm, 두께 1.2 mm의 천공 니켈판을 집전체로서 준비하고, 그 표면 상에 상기 탄성 매트를 배치했다. 이어서, 직경 100 mm의 회전 원판으로 탄성 매트의 둘레 가장자리부(4변 전부)를, 전해 셀의 프레임체와 집전체의 가장자리부의 사이에 형성되는 간극을 경유하여 집전체의 이면 상에 위치하도록 만곡시키고, 집전체의 가장자리부를 걸쳐, 주걱으로 집전체의 이면 상에 압입했다. 이 때의 접어 넣는 길이는 10 mm였다.

또한, 니켈제 파인 메쉬 기재에 루테늄의 산화물을 피복한 음극을 탄성 매트 상에 배치했다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 직경 100 mm의 회전 원판으로 음극의 둘레 가장자리부(4변 전부)를 만곡시켰다. 즉, 탄성 매트(1) 및 음극(21)의 상단부를, 프레임체(34)와 집전체(40)의 가장자리부(40c)의 사이에 형성되는 간극(S)에 삽입하고, 집전체(40)의 가장자리부(40c)를 걸쳐 이면(40b)측으로 되접히도록 하여 고정했다. 이 때 접어 넣는 길이 L은 10 mm였다.

(전해 평가)

이 전해 셀을 전해조에 넣고, 양극으로서, 티탄 기재의 표면에 루테늄, 이리듐을 성분으로 하는 산화물을 피복한 것을 이용하고, 이온 교환 막으로서, ACIPLEX(등록상표) F6801을 이용하고, 양극액으로서 약 300 g/L의 염수를 공급하고, 음극실에는, 배출구 부근에서 가성 소다 농도가 약 32 중량%가 되도록 희박 가성 소다를 공급하고, 전해 온도 80∼90℃, 양극실측 가스압을 40 kPa, 음극실측 가스압을 44 kPa, 전류 밀도 4 kA/㎡로 5일간 전해한 후에 전류 밀도 7 kA/㎡까지 증가하여 총 28일간 전해했다. 또, 상기 전해에서는, 양극액의 배출 부근의 염수의 pH가 2가 되도록, 공급하는 염수에 염산을 첨가했다. 전해후에 꺼낸 이온 교환 막을 육안으로 확인한 결과, 외관상 전혀 이상이 보이지 않았다. 이어서, 이온 교환 막의 표층 코팅을 제거하여 관찰한 결과, 발생한 경미한 카르복실산층의 손상(표 중 「막 손상」으로 표기함)은 불과 55개소만으로, 전해 성능에 영향을 미치지 않을 정도이며, 양호한 상태를 유지했다.

[비교예 1]

톱니바퀴 롤 2를 사용하지 않은 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 하여 비교예 1에 관한 탄성 매트를 얻었다. 이러한 탄성 매트를 실시예 1과 동일하게 전해 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다. 40 kPa 가압한 후에 압력을 풀었을 때의 두께는 충분하지만, 2 mm일 때의 면압은 과잉이므로, 막 손상이 많이 발생했다.

(면압)

실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 탄성 매트를 대상으로 하여, 탄성 매트의 두께에 대한 접촉 면압을, 다음과 같이 주식회사 이마다 제작소 제조의 인장 압축 시험기(상품명 SDT-201NA-SH)를 사용하여 측정했다.

우선, 전술한 바와 같이 실시예 1 및 비교예 1에서 얻어진 탄성 매트의 초기 두께를 측정했다. 이어서, 측정용 판을 하강시켜 탄성 매트에 접촉시킨 후, 소정의 반력이 되도록 측정용 판의 위치를 조정하여 압박하고 20초간 유지하여, 그 때의 압력과 두께를 기록했다. 압박마다 반력의 값을 변경하면서 상기 조작을 반복하여, 탄성 매트의 두께에 대한 접촉 면압을 플롯한 결과를 도 10에 나타낸다. 또, 반력의 값(면압 환산)으로는, 최초의 압박에서는 1.5 kPa로 하고, 이후의 압박에서는, 반력을 3.0 kPa, 5.0 kPa, 7.0 kPa, 9.0 kPa, 11.0 kPa, 13.0 kPa, 16.0 kPa, 19.0 kPa, 22.0 kPa, 25.0 kPa, 28.0 kPa, 31.0 kPa, 34.0 kPa, 37.0 kPa, 40.0 kPa, 43.0 kPa의 순으로 변경했다.

제로 갭 전해조에서는, 탄성 매트의 두께(전해조 운전시의 집전체와 음극의 간극과 일치)는 대략 2∼3 mm이지만, 도 10에 의하면, 이 범위에서 실시예 1의 탄성 매트는 비교예 1에 비교하여 면압이 유의미하게 저하된다는 것을 알 수 있다.

또, 탄성 매트 두께가 2 mm일 때의 면압은, 실시예 1에서는 23 kPa이며, 비교예 1에서는 41 kPa였다.

(40 kPa 가압후에 압력을 풀었을 때의 두께)

얻어진 탄성 매트를 대상으로 하여, 탄성 매트의 두께에 대한 접촉 면압을, 전술한 것과 동일한 인장 압축 시험기(주식회사 이마다 제작소 제조; 상품명 SDT-201NA-SH)를 사용하여, 다음과 같이 측정했다. 즉, 120 mm×120 mm로 재단한 탄성 매트(전술한 「면압」 측정을 실시하지 않은 것)의 중앙에 100 mm×100 mm(면적 10,000 ㎟)의 측정용 판을 접촉시켜, 반력이 면압 환산으로 40 kPa를 나타낼 때까지 압박하여 20초간 유지한 후, 반력이 0.1 kPa를 나타낼 때까지 측정용 판을 상측으로 후퇴시켜, 그 때의 두께를 압력을 풀었을 때의 두께로 했다.

[실시예 2]

톱니바퀴 롤 2의 톱니끝 사이의 거리를 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 2에 관한 탄성 매트를 얻었다. 이러한 탄성 매트를 실시예 1과 동일하게 전해 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 3]

톱니바퀴 롤 2의 톱니끝 사이의 거리를 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 3에 관한 탄성 매트를 얻었다. 이러한 탄성 매트를 실시예 1과 동일하게 전해 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 4]

톱니바퀴 롤 2의 톱니끝 사이의 거리를 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 4에 관한 탄성 매트를 얻었다. 이러한 탄성 매트를 실시예 1과 동일하게 전해 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 5]

톱니바퀴 롤 2의 톱니끝 사이의 거리를 변경한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 하여 실시예 5에 관한 탄성 매트를 얻었다. 이러한 탄성 매트를 실시예 1과 동일하게 전해 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 6]

도전성 재료를, 선직경 0.15 mm의 Ni 와이어로 변경한 것을 제외하고, 실시예 2와 동일하게 하여 실시예 6에 관한 탄성 매트를 얻었다. 이러한 탄성 매트를 실시예 2와 동일하게 전해 평가했다. 결과를 표 1에 나타낸다.

[실시예 7]

비교예 1의 탄성 매트를 세로 120 mm, 가로 120 mm의 사이즈로 절취했다. 이어서, 절취한 탄성 매트를 도 11과 같이 3개의 영역으로 구분하고, 중앙의 세로 120 mm×가로 33 mm의 영역만 두께 1.6 mm이 되도록 압축 처리하여 얻어진 샘플 A를 실시예 7에 관한 탄성 매트(면압 및 40 kPa 가압후에 압력을 풀었을 때의 두께의 평가용)로 했다. 이 샘플 A는, 면적 기준으로, 압축 완료 영역 33%와, 압축 미실시 영역 67%를 갖고 있었다.

압축 처리는, 절취한 탄성 매트를 충분한 두께를 갖는 PVC판 상에 배치하고, 인장 압축 시험기를 이용하여, 120 mm×33 mm의 크기의 누름판(SUS제)을 사용하여 실시했다.

이어서, 비교예 1의 탄성 매트를 사이즈 다운시키지 않고 압축 처리한 샘플 B를 실시예 7에 관한 탄성 매트(전해 평가용)로 했다. 또, 이 샘플 B에서의 압축 미실시 영역, 압축 완료 영역 및 압축 미실시 영역의 위치 관계 및 면적비는 샘플 A와 동일하게 했다.

[실시예 8]

실시예 7과 마찬가지로, 비교예 1의 탄성 매트를 세로 120 mm, 가로 120 mm의 사이즈로 절취했다. 이어서, 절취한 탄성 매트를 도 12와 같이 3개의 영역으로 구분하고, 양끝의 세로 120 mm×가로 43.5 mm의 영역을 두께 1.6 mm이 되도록 압축 처리하여 얻어진 샘플 C를 실시예 8에 관한 탄성 매트(면압 및 40 kPa 가압후에 압력을 풀었을 때의 두께의 평가용)로 했다. 이 샘플 C는, 면적 기준으로, 압축 완료 영역 67%와, 압축 미실시 영역 33%를 갖고 있었다.

압축 처리는, 절취한 탄성 매트를 충분한 두께를 갖는 PVC판 상에 배치하고, 인장 압축 시험기를 이용하여, 120 mm×45 mm의 크기의 누름판(SUS제) 2장을 탄성 매트의 양끝에 설치하여 실시했다.

이어서, 비교예 1의 탄성 매트를 사이즈 다운시키지 않고 압축 처리한 샘플 D를 실시예 8에 관한 탄성 매트(전해 평가용)로 했다. 또, 이 샘플 D에서의 압축 완료 영역, 압축 미실시 영역 및 압축 완료 영역의 위치 관계 및 면적비는 샘플 C와 동일하게 했다.

실시예 2∼8에 관해서도, 실시예 1 및 비교예 1과 마찬가지로 면압 및 40 kPa 가압후에 압력을 풀었을 때의 두께를 측정했다. 이들의 결과를 표 1에 함께 나타낸다.

[표 1]

표 1로부터, 제1 탄성 매트의 요건을 만족시키는 실시예 1∼6 및 제2 탄성 매트의 요건을 만족시키는 실시예 7∼8은, 본 실시형태의 탄성 매트의 요건을 만족시키지 않는 비교예 1과 비교하여 이온 교환 막의 손상이 억제되어 있다는 것을 알 수 있다.

또, 실시예 7∼8은, 비교예 1을 기초로 작성된 것이지만, 사전 압축한 부분과 사전 압축하지 않은 부분을 일체화시켜 탄성 매트로 하고 있는 바, 두께 2 mm일 때의 반발력은 평균 면압으로서 측정되기 때문에, 값으로서 비교예 1보다 작아져, 결과적으로 비교예 1보다 막 손상을 저감할 수 있다.

Claims (7)

1. 도전성을 갖는 탄성 매트로서,
   상기 탄성 매트가, 만곡되어 있는 것에 의해 형성되는 복수의 산부 및 곡부를 가지며,
   상기 산부가, 상기 산부의 높이보다 작은 깊이를 갖는 오목부를 가지며,
   상기 곡부가, 상기 곡부의 깊이보다 작은 높이를 갖는 볼록부를 갖는 탄성 매트.
2. 제1항에 있어서, 하나의 산부의 형성 방향과, 이것과 인접하는 산부의 형성 방향이 모두 대략 평행한 관계에 있고,
   하나의 곡부의 형성 방향과, 이것과 인접하는 곡부의 형성 방향이 모두 대략 평행한 관계에 있는 탄성 매트.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산부 및 곡부가, 상기 탄성 매트의 면 방향에 있어서 헤링본 모양을 부여하는 탄성 매트.
4. 제3항에 있어서, 상기 헤링본 모양에서의 변곡점이 1점이며, 상기 변곡점에서의 변곡각이 90°이상인 탄성 매트.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 임의의 위치에서 절첩되어 이루어진 탄성 매트.
6. 양극을 포함하는 양극실과,
   제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 탄성 매트, 집전체 및 음극을 포함하는 음극실과,
   상기 양극실과 상기 음극실 사이에 배치되는 이온 교환 막
   을 구비하고,
   상기 음극실에 있어서, 상기 탄성 매트가 상기 집전체와 음극의 사이에 배치되고,
   상기 탄성 매트가, 상기 음극에 대하여, 상기 이온 교환 막을 향한 방향으로 압력을 인가하는 전해조.
7. 도전성을 갖는 탄성 매트로서,
   상기 탄성 매트의 두께가 2 mm를 초과하고,
   (i) 상기 탄성 매트의 두께가 2 mm이 되도록 압박했을 때에 측정되는 상기 탄성 매트의 반발력이 5 kPa 이상 30 kPa 이하이며,
   (ii) 상기 탄성 매트를 40 kPa의 압력으로 20초간 압축한 후, 상기 압력을 풀었을 때의 두께가 1 mm 이상인 탄성 매트.

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