KR20240023183A - 멀티-셀 요소들을 갖는 전해조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전해조 (1) 에 관한 것으로, 이 전해조는 전기적으로 직렬로 상호연결되고 나란한 배열의 복수의 패널형 전해 셀들 (4) 을 포함하는 전해 스택 (3) 을 포함하고, 각각의 전해 셀 (4) 은 애노드가 내부에 배치된 애노드 챔버 및 캐소드가 내부에 배치된 캐소드 챔버를 포함하고, 애노드 챔버 및 캐소드 챔버는 시트형 분리기에 의해 서로 분리된다. 전해조는 전해 스택 (3) 의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단 (10) 을 더 포함한다. 스택 (3) 은 적어도 2개의 멀티-셀 요소들 (11) 을 포함하고, 각각의 멀티-셀 요소는 복수의 전해 셀들 (4) 및 기계적 압축 수단 (12) 을 포함하고, 각각의 멀티-셀 요소 (11) 의 전해 셀들 (4) 은 기계적 압축 수단 (12) 에 의해 밀봉 방식으로 함께 유지되고, 수단 (10) 은 멀티-셀 요소들 (11) 의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하도록 구성되고, 전해 스택 (3) 의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단 (10) 은, 스택 (3) 에 한정된 압축력을 가하기 위해 스택 (3) 의 최외측 전해 셀들 (4) 과 상호작용하도록 배열되거나, 인접한 멀티-셀 요소들 (11) 에 대한 접촉 압력을 제공하기 위해 적어도 2개의 인접한 멀티-셀 요소들 (11) 에 부착된다.

Description

멀티-셀 요소들을 갖는 전해조
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 전해조에 관한 것이다.
수소 및/또는 염소의 대규모 생산의 기술 분야에서, 예를 들어, 메가와트 범위에서, 전해조의 2개의 주요 설계 카테고리가 있다:
제 1 설계 카테고리는 전해조 스택이 전원의 극들에 연결된 2개의 단부 부분들 및 다수의 바이폴라 플레이트들을 포함하는 소위 필터 프레스 설계이다. 인접한 단부 부분들 및 바이폴라 플레이트들은 다이어프램 또는 멤브레인인 분리기에 의해 분리되어 다수의 전해 셀들을 직렬로 형성한다. 각각의 셀은 하나의 바이폴라 플레이트에 의해 애노드 측 상에 그리고 다른 인접한 바이폴라 플레이트에 의해 캐소드 측 상에 둘러싸이며, 분리기에 의해 2개의 하프-쉘들로 분할된다. 바이폴라 플레이트는 전해 셀들을 생성하는 역할을 하는 임의의 형상을 가질 수 있다. 셀 체적의 기계적 완전성 및 밀봉은 스택의 모든 바이폴라 플레이트들 및 분리기들을 동시에 압축하는 외부 압축 장치, 예를 들어 일 세트의 타이-로드들에 의해 제공된다. 누출-기밀성은 압축된 상태에서만 달성된다. 전형적으로, 대규모 전기분해를 위한 이러한 전해조는 2 내지 4 평방 미터의 셀 면적을 가지며, 하나의 전해 스택에 50 내지 200개의 전해 셀을 포함한다. 이러한 전해조의 총 중량은 통상 수십 톤이며, 압축 장치에 의해 공급되는 밀봉력은 약 1~10 MPa이다. 밀봉 영역에 따라, 이는 수십 톤의 힘을 초래한다.
필터 프레스 설계의 전해조의 예는 예를 들어 US 2003/0155232 A1 및 WO 2020/203319 A1 으로부터 알려져 있다. 필터 프레스 설계는 현장에서 전해조를 개방한 후에만 이러한 전해조를 교체하거나 그 요소들을 교환하는 것이 사실상 가능하다는 단점을 갖는다. 따라서, 전해조의 조립 및 보전은 일반적으로 관련 설비의 긴 다운타임을 초래하는 현장에서 수행되어야 한다.
전술한 문제를 피하는 한 가지 방법은 전해조를 소형화하고, 예를 들어 수소 생산 또는 킬로와트 범위의 연료 셀과 같은 더 작은 규모의 전기분해 플랜트에서 사용될 때 상당히 더 작은 셀 면적을 갖는 전해조를 사용하는 것이다. 감소된 크기로 인해, 이러한 전해조 스택들은 취급이 더 용이하여, 미리 조립되어 전달될 수 있고 전체적으로 교체될 수 있다. 그러나, 메가와트 범위, 특히 수십 내지 수백 메가와트 범위의 대규모 생산을 위해서는, 소형화는 큰 수의 개별 전해조들을 필요로 하여, 더 큰 공간 요건 및 증가된 보전 비용을 초래할 것이다.
두 번째 알려진 설계 카테고리는 특히 thissenkrupp Uhde Chlorine Engineers 에 의해 시판되는 바와 같은 단일 요소 설계이다. 이러한 설계에서, 각각의 전해 셀은 분리기로서의 멤브레인 또는 다이어프램에 의해 분리되는 2개의 하프-쉘, 즉 애노드 및 캐소드 하프-쉘을 포함한다. 2개의 하프-쉘은, 애노드 및 캐소드 하프-쉘을 서로 격리시키고 전해질 및/또는 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하는 밀봉 시스템을 통해 서로 연결된다. 이와 같이, 각각의 셀은 개별적으로 누설 방지된 단일 요소를 형성하고, 전체 전해조에 영향을 미치지 않고서 스스로 안전하게 조립, 취급 및 교체될 수 있다. 단일 요소 셀들은 강 프레임에 의해 형성된 랙(rack) 내에 현수되고, 인접한 단일 요소들과 접촉하는 것 사이의 양호한 전기 전도성을 보장하기 위해 함께 가압된다. 외부 압축 장치가 모든 셀들에 대해 밀봉력 (및 양호한 전도성) 을 제공해야 하는 필터 프레스 설계와 비교하여, 단일 요소 설계에서는 양호한 전도성만을 보장하기 위해 요구되는 압축력이 자릿수(orders of magnitude)만큼 더 작다.
이러한 유형의 전해조는 예를 들어 DE 196 41 125 A1 으로부터 알려져 있다. 이러한 설계는 하나의 바이폴라 플레이트 대신에 2개의 하프-쉘들과 플랜지 프레임과 같은 많은 수의 개별 부품들을 필요로 하고, 더 많은 베이스 재료들을 필요로 하고, 더 많은 제조 단계들을 필요로 하며, 결과적으로 더 높은 제조 노력 및 조립 비용을 초래한다는 단점을 갖는다.
US 2009/0308738 A1 으로부터, 최대 200 bar 의 높은 작동 압력 능력 및 108 in2 (= 0.07 m2) 의 알칼리 전해조의 활성 면적을 갖는 알칼리 전해조가 알려져 있다. 타이 로드 체결구는 최대 200 bar 의 내부 압력에 대해 외부 하프-쉘 부분들을 보강하기 위해 보강 바아들과 함께 사용된다. 각각의 셀에 대한 개별 타이 로드들 대신에, 6개 이상의 셀들의 그룹이 연장된 타이 로드들에 의해 더 큰 모듈로 연결될 수 있다. 각각의 셀들 사이의 연결은 대향하는 세트의 바나나 잭 커넥터들을 연결하는 스패너 튜브들의 설치에 의해 달성된다.
CN 106702421 A 에서, 4열의 전해 셀들을 갖는 염소산나트륨 전해 시스템이 기재되어 있으며, 여기서는 각 열에서 셀들이 각각 15개의 단일 셀들을 갖는 4개의 그룹의 전해 셀들로 그룹화된다. 염소산나트륨 전해조 그룹들의 개수는 용량 요구량에 따라 탄력적으로 조합 가능하고, 보전의 경우에 전해조 그룹들은 개별적으로 교체 가능하다.
본 발명은 안전한 작동과 취급 및 유지의 용이성을 보장하고, 베이스 재료 요건을 감소시킴과 동시에 제조 노력을 감소시키는 수소 및/또는 염소의 대규모 전해 생산을 위한 전해조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적은 청구항 1 의 특징들을 갖는 전해조에 의해 달성된다.
이로 인하여, 전기적으로 직렬로 연결된 복수의 패널형 전해 셀들을 포함하는 전해 스택과, 전해 스택의 전기적 연결부를 기계적으로 고정하는 수단을 포함하는 전해조가 제공된다. 각각의 전해 셀은 애노드가 내부에 배치된 애노드 챔버와 캐소드가 내부에 배치된 캐소드 챔버를 포함하며, 애노드 챔버와 캐소드 챔버는 시트형 분리기에 의해 서로 분리된다. 본 발명에 따르면, 스택은 적어도 2개의 멀티-셀 요소들을 포함하고, 각각은 복수의 전해 셀들 및 기계적 압축 수단을 포함한다. 각각의 멀티-셀 요소의 전해 셀들은 기계적 압축 수단에 의해 밀봉 방식으로 함께 유지된다. 스택의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단은 멀티-셀 요소들의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하도록 구성된다.
따라서, 본 발명에 의하면, 전해조의 전해 스택이 기계적 압축 수단에 의하여 개별적으로 밀봉되는 멀티-셀 요소들로 세분화된다. 멀티-셀 요소 내에 복수의 전해 셀들을 집성하기 위한 추가의 압축 수단을 제공함으로써, 밀봉력 및 전기 접촉력을 제공하기 위해 상이한 수단들, 즉 스택의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단 및 기계적 압축 수단이 각각 사용된다. 그럼으로써, 전기적 상호연결부를 고정하기 위한 수단에 의해 압력을 제공하기 위한 요건들이 감소되어, 종래의 필터 프레스 설계에 비해 전해조의 더 적은 대량의 설계를 허용한다. 그리고, 멀티-셀 요소들이 전해조가 설치되는 전해 플랜트의 현장에 미리 조립된 상태로 전달될 수 있다. 따라서, 미리 조립된 멀티-셀 요소들이 전달되기 전에 이들에 대한 품질 및 기능 테스트를 하는 것이 또한 가능하다.
단일 요소 설계와 비교하여, 모든 단일 셀은 단일 요소로서 취급되기에 충분한 기계적 안정성을 제공하는 2개의 쉘 부분들 내에 내장되어야 하고, 본 발명의 멀티-셀 요소들의 스택에서는 단지 각각의 멀티-셀 요소만이 전체로서 취급 안정성을 나타낼 필요가 있다. 따라서, 전해 셀들의 애노드 및 캐소드 챔버들의 적어도 일부를 제조하는데 사용되는 전기 전도성 재료, 예를 들어 니켈 또는 티타늄의 양이 감소된다. 더욱이, 멀티-셀 요소의 셀들은 개별적인 볼트 세트에 의해 폐쇄되고 밀봉될 필요가 없고, 기계적 압축 수단에 의해 함께 밀봉될 수 있기 때문에, 제조 노력을 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 멀티-셀 요소들은 전해조의 보전 상태에서 개별적으로 교체가능하며, 이 경우 스택의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단은 느슨한 상태에 있는 반면, 기계적 압축 수단은 체결된 상태에 있다. 그러면, 전해조를 완전히 분해하지 않고서 단일 멀티-셀 요소들을 제거 및 삽입할 수 있게 된다. 이로써, 보전을 위한 전해조의 다운타임이 감소된다.
본 발명에 따르면, 전해 스택의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단은 스택 상에 정의된 압축력을 가하기 위해 스택의 최외측 전해 셀들과 상호작용하도록 배치된다. 스택에 전체적으로 작용하는 외부 압축력은 셀-성능을 향상시키고, 또한 스택 내의 멀티-셀 요소들의 정렬에 유리하다. 대안적으로, 전해 스택의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단은 이웃하는 멀티-셀 요소들에 대한 접촉 압력을 제공하기 위해 적어도 2개, 바람직하게는 임의의 2개의 이웃하는 멀티-셀 요소들에 부착될 수 있다. 예를 들어, 접촉 압력은 인접한 후방 벽들 사이 그리고/또는 이웃하는 멀티-셀 요소들의 접촉 탭들 사이에 제공될 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 전해조의 멀티-셀 요소들은 각각 3 내지 50개, 보다 바람직하게는 5 내지 15개의 전해 셀들을 포함한다. 재료 요건을 고려하여, 각각의 멀티-셀 요소 내에 많은 전해 셀들을 집성시키는 것이 바람직하다. 그러나, 취급의 용이성을 위해 각각의 멀티-셀 요소 내의 전해 셀들의 개수는 제한되어야 한다. 전술한 범위의 개수의 전해 셀에 의해, 재료 및 조립 비용에 상당한 긍정적인 효과가 있는 것이 보장되는 한편, 동시에 멀티-셀 요소들은 갠트리 (gantries) 또는 오버헤드 크레인 (overhead cranes) 및 포크리프트 (forklifts) 와 같은 표준 리프팅 장치에 의해 여전히 취급 및 운반될 수 있다.
원칙적으로, 멀티-셀 요소들은 개방 애노드 또는 캐소드 하프-셀로 종결되고, 추가의 분리기들이 개재된 상태에서 전해조 내에 설치되는 것이 고려될 수 있다. 그러나, 바람직한 실시형태에서, 멀티-셀 요소들은 인접한 멀티-셀 요소와의 전기적 연결을 위한 바람직하게는 평면형인 접촉 표면들을 제공하는 외부 후방 벽들을 구비한다. 그럼으로써 각각의 멀티-셀 요소는 플러그 앤드 플레이 방식으로 설치될 수 있는 전해조의 독립적인 서브-유닛을 형성한다.
바람직한 실시형태에서, 멀티-셀 요소들은 멀티-셀 요소의 최외측 전해 셀들의 애노드 챔버 및 캐소드 챔버를 각각 포함하는 2개의 단부 부분들을 포함하고, 인접한 내부 전해 셀들의 캐소드 챔버 및 애노드 챔버를 포함하는 다수의 중간 부분들이 공유 바이폴라 격벽에 의해 서로 전기적으로 연결되고, 시트형 분리기들은 단부 부분들 및 중간 부분들의 임의의 2개의 인접한 부분들 사이에 개재된다. 멀티-셀 요소의 하나의 중간 부분에서 인접한 내부 전해 셀들의 캐소드 챔버와 애노드 챔버를 결합함으로써, 개별 부품들의 수 및 이에 따른 멀티-셀 요소들의 조립에 필요한 작업이 더욱 감소된다.
바람직하게는, 멀티-셀 요소의 최외측 전해 셀들의 애노드 챔버 및/또는 캐소드 챔버는 내부 전해 셀들의 캐소드 챔버들 및 애노드 챔버들 각각의 체적보다 1.1 내지 2 범위의 인자만큼 더 큰 체적을 갖는다. 종래의 필터 프레스 설계의 멀티-셀 요소의 최외측 챔버들의 체적을 증가시킴으로써, 즉, 작은 셀 체적을 갖는 고효율 전기분해, 멀티-셀 요소의 중간 부분 내의 낮은 재료 및 공간 요건은 최외측 셀들의 증가된 열 용량으로 인한 전해조의 증가된 열안정성과 조합된다. 즉, 멀티-셀 요소의 최외측 셀 챔버들의 더 큰 셀-체적들은 종래의 필터 프레스 설계에 비해 스택의 개선된 중간 냉각을 허용한다. 그 결과, 스택 내의 열적 균질성이 개선된다.
기계적 압축 수단이 멀티-셀 요소에 집성된 전해 셀들을 유지할 수 있는 여러 가지 가능성이 있다. 특히, 다음의 세 가지 가능성이 선호된다:
바람직한 실시형태에서, 기계적 압축 수단은 멀티-셀 요소의 전해 셀들을 가로질러 외부적으로 연장되는 타이 로드들, 및 멀티-셀 요소의 단부 부품들을 포함하고, 단부 부품들은 멀티-셀 요소의 전해 셀들에 압축 밀봉력을 가하기 위해 타이 로드들과 결합된다. 이 설계는 종래의 필터 프레스 설계에 가장 근접하지만, 전해 스택은 여러 개의 멀티-셀 요소들로 세분화된다. 멀티-셀 요소들의 전해 셀들은 그들의 원주 주변 영역에서 주위와 관련하여 밀봉되어, 전해 셀들의 시트형 분리기들을 유지하는 역할도 할 수 있다.
다른 바람직한 실시형태에서, 기계적 압축 수단은 각각의 멀티-셀 요소의 전해 셀들이 내부에 배열되는 적어도 2개의 쉘 부분들을 포함하고, 쉘 부분들 각각은 원주 플랜지 부분, 및 볼트들이 체결될 때 쉘 부분들 내의 전해 셀들을 압축하도록 배열되는 볼트들을 포함한다. 바람직하게는, 기계적 압축 수단은, 쉘 부분들의 플랜지 부분들 사이에 배치되는 적어도 하나의 가스켓을 더 포함하며, 볼트들이 체결될 때 가스켓이 압축된다. 대안적으로, 플랜지 부분은 PTFE 와 같은 자체-밀봉 재료로 제조되거나 코팅될 수 있다. 이러한 실시형태에서, 기계적 압축 수단의 쉘 부분들은 주변으로부터 모듈을 또한 밀봉하는 멀티-셀 모듈용 케이싱을 형성한다. 따라서, 모듈이 2단계 밀봉 시스템으로 배치되므로, 모듈 내의 개별 전해 셀들이 완벽하게 기밀될 필요가 없다. 또한, 쉘 부분들이 취급을 위한 모듈의 기계적 안정성을 제공한다면 바람직하다. 특히, 쉘 부분들은 2개의 하프-쉘들로서 설계될 수 있다.
추가의 바람직한 실시형태에서, 기계적 압축 수단은 멀티-셀 요소의 단부 부분들 및 중간 부분들에 부착되는 원주방향 외부 플랜지 부분들, 및 인접한 단부 부분들 및/또는 중간 부분들의 플랜지 부분을 서로 체결하는 볼트를 포함한다.
모든 전술한 멀티-셀 요소들은 전해 셀들로부터의 생성물 가스 및/또는 전해질의 수집 또는 전해질의 분배를 위해 외부 파이프와 함께 사용될 수 있다. 다른 실시형태에서, 멀티-셀 요소는 멀티-셀 요소의 전해 셀들로부터의 생성물 가스 및/또는 전해질의 수집 또는 전해질의 분배를 위해 적어도 하나의 내부 매니폴드를 포함한다. 종래의 필터 프레스 전해조들에서는, 내부 매니폴드들은 다수의 전해 셀들 및 대응하는 스택 전압들로 인해 큰 표유 전류 (stray currents) 를 겪는다. 그러나, 본 발명의 멀티-셀 요소에서는 내부 매니폴드들은, 더 적은 수의 전해 셀들 및 내부 매니폴드에 의해 대체되는 개별 셀 입구들 및/또는 출구들로 인해 표유 전류가 작아짐에 따라 제조 및 보전 비용이 더 감소되므로 유리하다.
바람직한 실시형태에서, 전해조는 셀 랙을 더 포함하며, 전해 스택의 전해 셀들 및/또는 전해 스택의 전기적 연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단은 셀 랙에 장착된다. 셀 랙은 전해 스택을 위한 안정된 프레임을 제공하고, 멀티-셀 요소들 및 다른 부품들이 보다 덜 거대한 방식으로 설계될 수 있게 한다. 그러나, 프레이밍 셀 랙 (framing cell rack) 없이 독립형 스택으로 본 발명을 이용하는 것도 가능하다.
본 발명의 추가적인 이점들은 첨부된 도면들에 도시된 실시형태들과 관련하여 아래에서 설명된다.
도 1 은 기계적 압축 수단에 의해 집성된 2개의 멀티-셀 요소들을 포함하는 전해 스택을 갖는 본 발명에 따른 전해조를 개략적으로 도시한다.
도 2 는 기계적 압축 수단이 외부 타이 로드들을 포함하는, 도 1 의 전해조에 사용되는 멀티-셀 요소의 제 1 실시형태를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 기계적 압축 수단이 전해 셀들을 둘러싸는 2개의 쉘 부분들을 포함하는, 도 1 의 전해조에 사용되는 멀티-셀 요소의 일 실시형태를 개략적으로 도시한다.
도 4 는 멀티-셀 요소의 단부 부분들 및 중간 부분들이 기계적 압축 수단으로서 기능하는 원주 플랜지 부분들에서 함께 볼트 결합된, 도 1 의 전해조에 사용되는 멀티-셀 요소의 제 3 실시형태를 개략적으로 도시한다.
도 5 는 전해 스택의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단이 접촉 압력을 제공하기 위해 멀티-셀 요소들에 부착된, 도 3 의 실시형태에 따른 2개의 멀티-셀 요소들을 개략적으로 도시한다.
도 6 은 도 2 에 도시된 제 1 실시형태의 변형예를 개략적으로 도시하며, 멀티-셀 요소들의 단부 부분들은 내부 전해 셀들의 전극 챔버들보다 큰 부피를 갖는 최외측 전해 셀들의 애노드 또는 캐소드 챔버를 각각 포함한다.
도면에서 동일한 부분은 동일한 참조 부호에 의해 일관되게 식별되므로, 일반적으로 설명되고 한 번만 지칭된다.
도 1 에는, 본 발명에 따른 전해조(1)가 도시되어 있다. 전해조(1)는 전기적으로 직렬로 상호 연결된 나란한 배열의 복수의 패널형 전해 셀들(4)을 포함하는 전해 스택(3), 및 전해 스택(3)의 전기적 상호 연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단(10)을 포함한다. 각각의 전해 셀(4)은 내부에 애노드(6)가 배치된 애노드 챔버(5) 및 내부에 캐소드(8)가 배치된 캐소드 챔버(7)를 포함하며, 애노드 챔버(5) 및 캐소드 챔버(7)는 시트형 분리기(9)(상세는 도 1 에 도시되지 않음, 도 2 내지 도 4 참조)에 의해 서로 분리된다. 바람직하게는, 애노드 및 캐소드 챔버(5, 7)는 적어도 부분적으로 전기 전도성 재료로 제조된다. 본 발명에 따르면, 스택(3)은 적어도 2개의 멀티-셀 요소(11)를 포함하고, 각각의 멀티-셀 요소는 복수의 전해 셀들(4) 및 기계적 압축 수단(12)을 포함하며, 각각의 멀티-셀 요소(11)의 전해 셀들(4)은 기계적 압축 수단(12)에 의해 밀봉된 방식으로 함께 유지된다. 수단(10)은 멀티-셀 요소(11)의 전기적 상호연결부를 기계적으로 체결하도록 구성된다.
스택(3)은 스택(3)의 최외측 전해 셀들(4)과 접촉하는 단부 플레이트들(150, 160)을 통해 외부 전력 공급부에 연결될 수 있다.
도 1 의 전해조는 셀 랙(2)을 더 포함하며, 전해 스택(3)의 전해 셀들 및 전해 스택(3)의 전기적 연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단(10)이 셀 랙(2)에 장착된다. 도 1 에 도시된 전해조의 셀 랙(2)은 각 측에서 지지 빔(120)을 캐리하는 2개의 단부 포스트들(130, 140)을 포함한다. 지지 빔들(120)은 셀 랙(2) 내에서 전해 셀들(4)을 지지한다. 전해 셀들(4)은 바람직하게는 셀 랙(2)의 양 측에서 지지 빔들(120) 상에 현수된다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 전해 스택(3)의 전기적 연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단(10)은 스택에 한정된 압축력을 가하기 위해 스택의 최외측 전해 셀들(4)과 상호작용하도록 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 1 에 도시된 전해 스택(3)의 전기적 연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단(10)은 이 실시형태에서 수단(10)의 외부 타이 로드로서 기능하는 지지 빔들(120)과 결합하는 가압 플레이트(110)를 포함한다. 가압 플레이트(110)는 전력 공급을 제공하는 단부 플레이트들(150, 160)과 함께 전해 스택(3)의 멀티-셀 요소(11)를 압축하기 위해 지지 빔들(120) 상에서 수평으로 이동가능하다. 동작 단계에서, 단부 플레이트들(150, 160) 및 멀티-셀 요소들(11)은 서로 직접 접촉하여, 이들이 전기적으로 직렬로 연결된다. 이를 위해, 도면들에 도시된 멀티-셀 요소들(11)은 인접한 멀티-셀 요소(11)와의 전기적 연결을 위한 평면형 접촉 표면들을 제공하는 바람직하게는 평평한 외부 후방 벽들(13)을 구비한다.
대안적인 실시형태(도시되지 않음)에서, 전해 스택의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단은 이웃하는 멀티-셀 요소들에 대한 접촉 압력을 제공하기 위해 적어도 이웃하는 멀티-셀 요소들에, 바람직하게는 임의의 2개의 이웃하는 멀티-셀 요소들에 부착된다.
도 1 에서는, 전해조(1)가 보전 상태에 있는 것을 나타내고 있다. 보전 상태에서, 전해 스택(3)의 전기적 연결부를 기계적으로 고정하는 수단(10)은 느슨한 상태에 있는 반면, 기계적 압축 수단(12)은 체결 상태에 있다. 도 1 로부터 알 수 있는 바와 같이, 멀티-셀 요소들(11)은 전해조(1)를 완전히 분해할 필요 없이 보전 상태에서 개별적으로 교체 가능하다.
일 예로서, 도 1 에 도시된 멀티-셀 요소들(11)은 4개의 전해 셀들(4)을 포함한다. 바람직하게는, 멀티-셀 요소들(11)은 각각 3 내지 50개, 더욱 바람직하게는 5 내지 15개의 전해 셀들(4)을 함유한다. 멀티-셀 요소(11)의 전해 셀들(4)은 전해질 사이클 및 생성물 가스 스트림에 대해 전기적으로 직렬 및 병렬로 연결된다. 바람직하게는, 멀티-셀 요소(11)의 전해 셀들(4)은 1 내지 4 제곱 미터 범위의 셀 면적을 갖는다. 하나의 전해조(1)에 여러 개의 멀티-셀 요소들(11)을 조합함으로써, 메가와트 범위에서 공칭 용량을 갖는 전해조(1)가 제공될 수 있다.
도 2 에서는, 도 1 의 전해조(1)에 사용되는 멀티-셀 요소(11)의 제 1 실시형태가 보다 상세히 도시된다. 멀티-셀 요소(11)는 멀티-셀 요소(11)의 최외측 전해 셀들(4)의 애노드 챔버(5) 및 캐소드 챔버(7)를 각각 포함하는 2개의 단부 부분들(14, 15)을 포함한다. 멀티-셀 요소(11)는 공유 바이폴라 격벽(17)에 의해 서로 전기적으로 연결되는 인접한 내부 전해 셀들(4)의 캐소드 챔버(7) 및 애노드 챔버(5)를 포함하는 다수의 중간 부분들(16)을 더 포함한다. 멀티-셀 요소(11)는 또한 단부 부분들(14, 15) 및 중간 부분들(16)의 임의의 2개의 인접한 부분들(14, 15, 16) 사이에 개재되는 시트형 분리기들(9)을 포함한다. 단부 부분들(14, 15) 및 중간 부분들(16)은 바람직하게는 부분들(14, 15, 16)의 각각의 접촉 영역들에 배열된 가스켓들(29)에 의해 분리기들(9)에 대해 밀봉된다.
재료 요건 및 노동 비용과 관련하여 단일 요소 설계와 비교하여 본 발명의 이점을 더 잘 이해하기 위해, 다음의 예가 제공된다: 300개의 전해 셀을 갖는 단일 요소 설계의 전형적인 전해조는 600개의 하프-쉘 및 300개의 플랜지 쌍을 포함할 것이며, 이들 각각은 볼트들의 세트로 체결될 것이며, 이는 제조, 취급 및 조립될 필요가 있다. 비교로, 동일한 수의 전해 셀을 갖고 멀티-셀 요소(11) 당 10개의 전해 셀(4)을 갖는 본 발명에 따른 전해조는 2x30 단부 부분들(14, 15) 및 10x29 중간 부분들(16)을 가지며, 따라서 단일 요소 설계의 600 쉘 부분들과 비교하여 단지 350개의 부분들(14, 15, 16)의 총 수를 갖는다. 마찬가지로, 체결되어야 할 볼트들의 세트의 수가 300에서 30으로 감소된다.
전해 셀들(4) 내에, 예를 들어 리브(34) 형태의 스페이서들이 바이폴라 격벽들(17)과 애노드(6) 및/또는 캐소드(8) 사이에 제공될 수 있다. 스페이서들은 셀 전압을 감소시키기 위해 분리기(9)에 대해 특히 낮은 거리에서 셀(4) 내의 전극들(6, 8)을 지지하는 목적을 수행한다. 특히, 전해조의 본 발명의 설계는 전극들(6, 8)이 분리기(9)와 직접 접촉하는 제로 갭(zero-gap) 전해조에 적용가능하다. 분리기(9)는 예를 들어, 멤브레인 또는 다이어프램일 수 있다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 멀티-셀 요소(11)의 전해 셀들(4)은 전해 셀들(4)의 각각의 챔버(5, 7)로의 개별 입구들을 갖는 외부 공급 파이프들(30, 31)에 의해 전해질을 공급받을 수 있다. 유사하게, 셀들(4)로부터 전해질 및/또는 생성물 가스를 수집하기 위해 외부 파이프(도시되지 않음)가 사용될 수 있다.
도 2 에 도시된 실시형태에서, 기계적 압축 수단(12)은 멀티-셀 요소(11)의 전해 셀들(4)을 가로질러 외부로 연장되는 타이 로드들(18)을 포함한다. 기계적 압축 수단(12)은 멀티-셀 요소(11)의 단부 부품들(19)을 더 포함하고, 단부 부품들(19)은 멀티-셀 요소(11)의 전해 셀들(4)에 압축 밀봉력을 가하도록 타이 로드들(18)과 결합된다. 단부 부품들(19)은 타이 로드들(18)과의 결합을 위해, 천공된 돌출부와 같은 결합 수단을 구비하는 단부 부분들(13)에 의해 형성될 수 있다. 대안적으로, 단부 부품들(19)은 예를 들어 멀티-셀 요소(11)의 추가적인 단부 플레이트들과 같은 별개의 부품들일 수 있다.
도 2 의 멀티-셀 요소(11)의 설계는 필터 프레스 설계 전해조와 유사하며, 멀티-셀 요소(11)가 더 적은 수의 개별 전해 셀들(4)(바람직하게는 3 내지 50개의 범위)을 포함하고, 기계적 무결성 및 밀봉이 전체적으로 전해조의 레벨 상에서만이 아니라 멀티-셀 요소(11)의 레벨 상에서 이미 달성된다는 차이점을 갖는다. 따라서, 멀티-셀 요소(11)는 전해 설비의 현장에서 전해조(1)의 다른 멀티-셀 요소들(11)에 영향을 미치지 않고서, 예를 들어, 외부 셀 작업장에서 개별적으로 교환 및 서비스될 수 있는 자급식(self-contained) 유닛이다.
도 3 에서는, 도 1 의 전해조(1)에 사용되는 멀티-셀 요소(11)의 제 2 실시형태가 도시된다. 제 2 실시형태에서, 기계적 압축 수단(12)은 멀티-셀 요소(11)의 전해 셀들(4)이 내부에 배열되는 2개의 쉘 부분들(20, 21)을 포함한다. 쉘 부분들(20, 21)은 각각 원주방향 플랜지 부분(22, 23)을 포함한다. 기계적 압축 수단(12)은 볼트들 (25) 및 2개의 쉘 부분들(20, 21)의 플랜지 부분들(22, 23) 사이에 배치된 가스켓(24)을 더 포함한다. 볼트들(25)은 볼트들(25)의 체결시에 플랜지 부분들(22, 23) 사이의 가스켓(24) 및 쉘 부분들(20, 21) 내의 전해 셀들(4)을 압축하도록 배치된다. 도시된 바와 같이, 쉘 부분들(20, 21)은 바람직하게는 하프-쉘 형태를 가질 수 있다.
멀티-셀 요소(11)의 제 1 실시형태와 비교하여, 도 3 의 멀티-셀 요소(11)는 2단 밀봉 시스템을 갖는다. 2개의 쉘 부분들(20, 21)의 플랜지 부분들(22, 23) 사이에 배치된 단일 외부 가스켓(24)에 추가하여, 전해 셀들(4)은 멀티-셀 요소(11)의 부분들(14, 15, 16)의 접촉 영역들에 배치된 분리기들(9)에 대해 개별적으로, 예를 들어 내부 가스켓들(29)에 의해 밀봉된다.
멀티-셀 요소(11)의 전해 셀들(4)은 도 2 에서와 같이 셀들(4)의 외부에 있지만 쉘 부분들(20, 21) 내에 포함된 공급 파이프들(30, 31)에 의해 전해질을 공급받을 수 있다. 유사한 파이프(도시되지 않음)가 셀들(4)로부터 전해질 및/또는 생성물 가스들을 수집하는데 사용될 수 있다. 그럼으로써, 각각의 멀티-셀 요소(11)의 입구들 및 출구들의 수가 감소될 수 있어, 현장에서 전해조(1)의 조립을 용이하게 한다.
대안적으로, 도 3 에 도시된 멀티-셀 요소(11)는 외부 파이프에 의해 공급될 수 있고, 쉘 부분들(20, 21)의 외부로부터 개별적으로 각각의 매체를 각각의 셀(4)에 분배하고/하거나 각각의 셀로부터 수집할 수 있다.
그 외의 모든 점에서, 도 2 에 도시된 제 1 실시형태의 설명은 따라서 도 3 에 도시된 제 2 실시형태에 적용될 수 있다.
도 4 에서는, 도 1 의 전해조(1)에 사용되는 멀티-셀 요소(11)의 제 3 실시형태가 도시된다. 이 실시형태에서, 기계적 압축 수단(12)은 멀티-셀 요소(11)의 단부 및 중간 부분들(14, 15, 16)에 부착된 원주방향 외부 플랜지 부분들(26, 27), 및 인접한 단부 및/또는 중간 부분들(14, 15, 16)의 플랜지 부분들(26, 27)을 서로 체결하는 볼트들(28)을 포함한다.
제 3 실시형태의 멀티-셀 요소(11)는 멀티-셀 요소(11)의 전해 셀들(4)에 전해질을 분배하기 위한 2개의 내부 매니폴드들(33, 34)을 더 포함한다. 셀들(4)로부터의 전해질 및/또는 생성물 가스의 수집을 위해 추가의 내부 매니폴드들이 제공될 수 있다.
도시되지 않은 대안적인 실시형태에서, 도 4 의 멀티-셀 요소는 내부 매니폴드들 대신에 도 2 에 도시된 바와 같은 외부 파이프를 구비한다.
그 외의 모든 점에서, 제 1 및 제 2 실시형태의 설명은 따라서 도 4 에 도시된 제 3 실시형태에 적용될 수 있다.
도 5 에는, 도 3 의 실시형태에 따른 2개의 멀티-셀 요소들이 나란히 배열된 것이 도시되어 있다. 전해 스택(3)의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단(10)은 인접한 멀티-셀 요소들(11)에 대한 접촉 압력을 제공하기 위해 2개의 인접한 멀티-셀 요소들(11)에 부착된다. 예를 들어, 수단(10)은 멀티-셀 요소들(11)의 양 단부들에서 원주방향 플랜지들로 만들어질 수 있으며, 인접한 멀티-셀 요소들(11)의 플랜지들은 함께 볼트 결합된다.
전해 스택(3)의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 유사한 수단(10)은 도면들에 도시된 본 발명의 모든 다른 실시형태들과 함께 사용될 수도 있다.
도 6 은 도 2 에 도시된 멀티-셀 요소의 변형예를 도시하며, 여기서 멀티-셀 요소(11)의 최외측 전해 셀들(4)의 애노드 챔버(5) 및 캐소드 챔버(7)는 각각 내부 전해 셀들(4)의 캐소드 챔버들(7) 및 애노드 챔버들(5)의 각각의 체적보다 1.1 내지 2 범위의 인자만큼 더 큰 체적을 갖는다. 최외측 전극 챔버들의 확대된 체적은 스택(3)의 열 용량을 증가시키고 따라서 스택의 개선된 온도 제어를 허용한다.
그 밖의 모든 점에서, 도 2 에 도시된 실시형태의 설명은 따라서 도 6 에 도시된 변형예에 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 전해조(1)는 염소-알칼리 전기분해 및 알칼리 수 전기분해에 특히 적합하다.
1 전해조
2 셀 랙
3 전해 스택
4 전해 셀
5 애노드 챔버
6 애노드
7 캐소드 챔버
8 캐소드
9 분리기
10 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단
11 멀티-셀 요소
12 기계식 압축 수단
13 후방 벽
14, 15 단부 부분
16 중간 부분
17 격벽
18 타이 로드
19 단부 부품
20, 21 쉘 부분
22, 23 플랜지 부분
24 가스켓
25 볼트
26, 27 플랜지 부분
28 볼트
29 가스켓
30, 31 공급 파이프
32, 33 내부 매니폴드
34 리브
110 가압 플레이트
120 지지 빔
130, 140 단부 포스트
150, 160 단부 플레이트

Claims (12)

  1. 전해조로서,
    전기적으로 직렬로 상호연결되는 나란한 배열의 복수의 패널형 전해 셀들 (4) 을 포함하는 전해 스택 (3) 으로서, 각각의 전해 셀 (4) 은 애노드 (6) 가 내부에 배치된 애노드 챔버 (5) 및 캐소드 (8) 가 내부에 배치된 캐소드 챔버 (7) 를 포함하고, 상기 애노드 챔버 (5) 및 상기 캐소드 챔버 (7) 는 시트형 분리기 (9) 에 의해 서로 분리되는, 상기 전해 스택 (3), 및
    상기 전해 스택 (3) 의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단 (10) 을 포함하고,
    상기 스택 (3) 은 적어도 2개의 멀티-셀 요소들 (11) 을 포함하고, 각각의 멀티-셀 요소는 복수의 전해 셀들 (4) 및 기계적 압축 수단 (12) 을 포함하고, 각각의 멀티-셀 요소 (11) 의 상기 전해 셀들 (4) 은 상기 기계적 압축 수단 (12) 에 의해 밀봉 방식으로 함께 유지되고, 상기 수단 (10) 은 상기 멀티-셀 요소들 (11) 의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하도록 구성되고,
    상기 전해 스택 (3) 의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단 (10) 은 상기 스택 (3) 에 한정된 압축력을 가하기 위해 상기 스택 (3) 의 최외측 전해 셀들 (4) 과 상호작용하도록 배열되거나,
    상기 전해 스택 (3) 의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단 (10) 은 인접한 멀티-셀 요소들 (11) 에 대한 접촉 압력을 제공하기 위해 적어도 2개의 인접한 멀티-셀 요소들 (11) 에 부착되는, 전해조.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전해조 (1) 는 보전 (maintenance) 상태를 갖도록 구성되고, 이 보전 상태에서는 상기 전해 스택 (3) 의 전기적 상호연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단 (10) 이 느슨한 상태인 한편, 상기 기계적 압축 수단 (12) 은 체결 상태이고, 상기 멀티-셀 요소들 (11) 은 상기 전해조 (1) 의 상기 보전 상태에서 개별적으로 교체가능한, 전해조.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 멀티-셀 요소들 (11) 은 각각 3 내지 50개, 보다 바람직하게는 5 내지 15개의 전해 셀들 (4) 을 포함하는, 전해조.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멀티-셀 요소들 (11) 은 인접한 멀티-셀 요소 (11) 와의 전기적 연결을 위한 접촉 표면들을 제공하는 외부 후방벽들 (back walls: 13) 을 구비하는, 전해조.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멀티-셀 요소들 (11) 은 각각 상기 멀티-셀 요소 (11) 의 최외측 전해 셀들 (4) 의 애노드 챔버 (5) 와 캐소드 챔버 (7) 를 포함하는 두 개의 단부 부분들 (14, 15) 을 포함하고, 인접한 내부 전해 셀들 (4) 의 캐소드 챔버 (7) 와 애노드 챔버 (5) 를 포함하는 다수의 중간 부분들 (16) 은 공유 바이폴라 격벽 (17) 에 의해 서로 전기적으로 연결되며, 시트형 분리기들 (9) 은 상기 단부 부분들 (14, 15) 및 상기 중간 부분들 (16) 의 임의의 두 개의 인접 부분 (14, 15, 16) 사이에 개재되는, 전해조.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 멀티-셀 요소 (11) 의 최외측 전해 셀들 (4) 의 애노드 챔버 (5) 및/또는 캐소드 챔버 (7) 는 1.1 내지 2 범위의 인자만큼 내부 전해 셀들 (4) 의 캐소드 챔버들 (7) 및 애노드 챔버들 (5) 의 각각의 부피보다 더 큰 부피를 갖는, 전해조.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계적 압축 수단 (12) 은 상기 멀티-셀 요소 (11) 의 전해 셀들 (4) 을 가로질러 외부로 연장되는 타이 로드들 (18), 및 상기 멀티-셀 요소 (11) 의 단부 부품들 (19) 을 포함하고, 상기 단부 부품들 (19) 은 상기 타이 로드들 (18) 과 결합하여 상기 멀티-셀 요소 (11) 의 전해 셀들 (4) 에 압축 밀봉력을 가하는, 전해조.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계적 압축 수단 (12) 은
    각각의 멀티-셀 요소 (11) 의 전해 셀들 (4) 이 내부에 배치되는 적어도 2개의 쉘 부분들 (20, 21) 로서, 상기 쉘 부분들 (20, 21) 은 각각 원주 플랜지 부분 (22, 23) 을 포함하는, 상기 적어도 2개의 쉘 부분들 (20, 21), 및
    볼트들 (25) 이 체결될 때에 상기 쉘 부분들 (20, 21) 내의 전해 셀들 (4) 을 압축하도록 배치된 상기 볼트들 (25)
    을 포함하는, 전해조.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 기계적 압축 수단 (12) 은 상기 쉘 부분들 (20, 21) 의 플랜지 부분들 (22, 23) 사이에 배치되는 적어도 하나의 가스켓 (24) 을 더 포함하고, 상기 볼트들 (25) 이 체결될 때에 상기 가스켓 (24) 이 압축되는, 전해조.
  10. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 기계적 압축 수단 (12) 은, 상기 멀티-셀 요소 (11) 의 상기 단부 부분들 (14, 15) 및 상기 중간 부분들 (16) 에 부착되는 원주방향 외부 플랜지 부분들 (26, 27), 및 인접한 단부 부분들 (14, 15) 및/또는 중간 부분들 (16) 의 상기 플랜지 부분들 (26, 27) 을 서로 체결하는 볼트들 (28) 을 포함하는, 전해조.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멀티-셀 요소 (11) 는 상기 멀티-셀 요소 (11) 의 전해 셀들 (4) 로부터의 생성물 가스들 및/또는 전해질의 수집 또는 전해질의 분배를 위한 적어도 하나의 내부 매니폴드를 포함하는, 전해조.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전해조 (1) 는 셀 랙 (cell rack: 2) 을 더 포함하고, 상기 셀 랙 (2) 에는 상기 전해 스택 (3) 의 전해 셀들 (4) 및/또는 상기 전해 스택 (3) 의 전기적 연결부를 기계적으로 고정하기 위한 수단 (10) 이 장착되는, 전해조.
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