KR910003644B1 - 필터 프레스 전해조 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
제 1 도는 본 발명의 단극성 필터 프레스 전해조를 나타낸 분해 사시도.
제 2 도는 전해조의 분해도.
제 3 도는 본 발명의 단극성 필터 프레스 전해조를 나타낸 부분 단면 평면도.
제 4 도는 다기관의 단면도.
제 5 도는 단극성 음극 조립체의 개략도.
제 6 도는 단극성 양극 조립체의 개략도.
제 7 도는 본 발명의 하나의 다기관 조립체를 분해하여 나타낸 부분 단면도.
제 8 도는 본 발명의 쌍극성 필터 프레스 전해조의 분해 사시도.
제 9 도는 본 발명의 혼성극성 필터 프레스 전해조의 한 형태를 나타낸 분해 사시도.
제 10 도는 본 발명의 필터 프레스 전해조에 있는 쌍극 부분의 부분 단면 정면도.
제 11 도는 본 발명의 혼성 극성 필터 프레스 전해조에 있는 단극 부분의 부분 단면 정면도.
제 12 도는 본 발명의 필터 프레스 전해조에 있는 한 형태의 혼성극 부분의 부분 단면 정면도.
제 13 도는 음극팬(pan)의 개략도.
제 14 도는 양극팬의 개략도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 단극성 전해조 2,33 : 격벽
3,34 : 연결봉 4,35 : 양극 조립체
5,36 : 음극 조립체 6,37 : 막
10,41 : 양극팬 13,23,44 : 밀봉 수단
20,51 : 음극팬 30,61 : 전류 분배 부재
32 : 쌍극성 및 혼성 극성 전해조 40,71 : 스페이서
50,81 : 그라우팅 물질 91 : 절연체
100 : 다기관 101 : 스페이서
103 : 밀봉 수단 104 : 연결기
본 발명은 필터 프레스 전해조에 관한 것으로, 특히, 단극성, 쌍극성 또는 혼성 극성 막(membrane) 전해조에 관한 것이다.
현대 사회에서 이용되는 많은 중요한 기본 화학 제품은 전기분해에 의해 생산된다. 오늘날 세계에서 사용되는 거의 모든 염소 및 가성소다는 식염수용액의 전기분해에 생산된다. 산소와 특히 우리 사회에서 용도가 계속 증가되는 수소의 생산을 위해 물을 전기 분해하는데 관심이 증대되고 있고, 전기분해의 다른 용도로는 전기-유기 합성, 축전지 등이 있고, 또한 정수 시스템 및 수영장의 염소처리기와 같은 보다 일반적인 적용분야가 있다.
유동식 수은 음극 전해조 및 격막식 전해조가 염소 및 가성소다를 전기분해로 생산하는 것의 대부분을 차지해 왔다. 좀더 최근에는, 조작이 간편하고, 특히 수은과 같은 오염 방출물이 없고 또 석면과 같은 발암성 물질이 없기 때문에 막(membrane)형의 전해조가 인기를 얻고 있다. 막 형의 전해조는 대개, 상업적으로 구입할 수 있고 대개 불소화 중합체 물질로 만들어진 수압 불투과성의 이온교환 막에 의해 분리되는 양극실과 음극실을 포함한다.
막형의 전해조는 대개, 각조의 전극들이 전원에 직접 연결된 단극형태와, 인접한 조들이 그들 사이에 공통의 전극 조립체(이 전극 조립체는 한쪽면이 양극성이고 다른쪽은 음극성임)를 갖는 쌍극 형태의 두가지 형태중 하나로 구성된다. 그러나, 과거에는 이들 두가지 전해조는 서로 교환될 수 있는 부분이 거의 없을 정도로 구조가 달랐다. 따라서, 각 형태의 전해조는 서로 완전히 다른 부품들을 필요로 하였다. 또한, 부품이 유사하다 할지라도 그들은 완전히 별개의 제조공구 및 제조 방법을 필요로 하였다.
몇몇 구조의 단극성 및 쌍극성 막 전해조는 유사한 팬(pan)들이 그들 사이에 막을 끼워넣은 채로 서로 마주 보도록 조립된 때 양극실 및 음극실을 형성하는 1쌍의 금속팬 구조물을 포함한다. 이런 형태의 전해조가 미국특허 제4,017,375호 및 제4,108,752호에 기술되어 있다.
양극실 및 음극실 모두에 있는 전해액에 의한 가혹한 부식 조건때문에, 양극팬 및 음극팬은 전해액에 잘 견디는 물질로 만들어야 한다. 많은 경우에, 양극팬은 시이트 형태의 티타늄 또는 다른 밸브 금속 또는 그들의 합금으로 만들어졌다. 이와 유사하게, 음극팬은 니켈 같은 금속 뿐 아니라, 강철, 스테인리스 강과 같은 금속으로 만들어졌다. 단극성 전해조의 그러한 팬의 예가 미국특허 제4,244,802호에 기술되어 있다. 그러나, 이 특허의 전해조는, 본 발명에서 팬이 이용될 때는 필요없는 높은 전도성의 금속 외부층을 팬에 값비싸게 적층시키는 것을 필요로 한다.
쌍극성 전해조에서는, 쌍극 요소의 양극/음극 사이의 전기 접속이 중대한 설계상의 문제를 야기한다. 양극 및 음극의 서로 다른 부식 조건 때문에, 그 부품들은 서로 다른 물질로 만들어진다. 이들 물질을 전기적으로 접속하는 것이 여러가지 방식으로 행해져 왔으나, 이것은 약간의 고유적인 단점을 가진다. 예를들면, 티타늄/스터드(stud)결합판의 사용은 스터드판을 통해 수소가 확산되어 티타늄을 수소화시키므로서 결합을 파괴시키는 문제점을 가졌다. 3중 금속판(티타늄/구리/강철)을 사용하면 수소화 문제는 해결되지만, 가격이 엄청나게 비싸진다. 다른 형태의 기계적인 연결은 그러한 기계적 연결이 지속되도록 연결 압력을 가하는 내부 볼트 또는 조임쇠가 필요하게 되는 어려움이 있었다.
단극성 전해조에서는, 내부식성이 필요 이외에도, 외부 전원으로부터 단극성 요소로 전류를 도입하고 유출시키며 활성 전극 표면을 가로질러 전류를 균일하게 분배시키는 것이 필요하다. 저항 손실을 낮게 하면서(특히 면적이 넓은 전극에서) 전류를 흐르게하고 분배시키기 위해, 저항이 낮은 전도체를 사용해야만 한다. 이 전도체는 단면적이 큰 내부식성 금속 또는 그러한 내부식성 금속보다 비저항이 5 내지 50배 낮은 예를들어 구리나 알미늄 같은 작은 단면적의 금속으로 만들어진다. 당연히, 이들 저항이 낮은 금속들은 전해조에 사용할 수 있기 위해서는 전해액에 의한 부식으로부터 보호되어야 한다.
단극성 막 전해조에서 낮은 구조적 전압 강하 및 막을 가로지르는 균일한 전류 분포를 유지하면서 전극활성지역으로 전류를 공급하는 문제를 경감하기 위해서 과거에 사용한 한가지 방법은 적당한 내부식성 금속을 결합하거나 입힌 구리 전도체봉을 사용하는 것이다. 이러한 방법의 단점들은 높은 제조비용, 사용될 수 있는 모양 및 크기의 제한, 용접의 어려움, 전도체봉의 두께에 의한 전극실 폭의 제한, 전해액 흐름 방해, 전도체의 간격 때문에 필요한 긴 전류 통로로 인한 고르지 못한 전류 분포, 전도체봉이 전해조를 통해 지나가는 곳에서의 전해조 밀봉 문제, 높은 전류 밀도를 내는 높은 비용과 이에 따른 높은 구조적 IR손실 및, 전극을 재코팅할 때 전도체봉을 제거해야 하는 필요성이다(IR은 오옴의 법칙 V=IR에서의 약자이다. 따라서, 본 명세서에서, 전압을 IR로 나타낸다).
과거에 사용된 다른 방법으로는, 구리를 제거하고 내부식성 금속 전극 구조물에서 전류를 흐르게 하는 방법이다. 내부식성 금속(예,티타늄, 니켈, 스테인리스 강)의 전기적 저항이 구리와 알루미늄에 비해 높으므로, 전압 손실이 증가되며, 또 전류 통로의 길이는 가능한한 짧게 유지되어야 한다(즉, 전극의 짧은 쪽을 전류 통로와 평행하게 한다). 그러나, 이것은 전극활성 지역의 크기를 제한하고, 활성 지역에 비해 밀봉 영역을 증가시키고, 또 같은 전체 활성 지역을 형성하기 위해서는 많은 작은 부품을 요한다. 밀봉 영역에 대해서 활성 지역이 크면 더욱 효과적인 막의 사용의 추가적인 잇점이 제공된다(즉, 활성 지역/이용 지역의 비가 높다). 이 방법에서도 외부 버스(bus)에의 접속과 전류 분포가 역시 어렵다.
따라서, 본 발명의 이점은, 구조적 부품 및 기계적 접속문제에 기인한 전기적 저항을 줄임으로써, 단극성 또는 쌍극성 전해조에서 저항 손실을 줄이며, 전류 분포를 개선하고, 전극 활성 지역이 더 넓어지게 하고 또 활성 지역에 대한 밀봉 영역의 비를 감소시키는 것이다. 일 양태에서, 이들 이점은, 쌍극성 막 전해조에서 쌍극성 전극 조립체의 양극 및 음극의 뒷판들 사이에 저압, 큰 표면 접촉면적, 낮은 전류 밀도의 신규한 기계적 연결을 사용함으로써 증대된다. 본 발명의 다른 양태에서는, 단극성 및/또는 쌍극성 전해조의 조합인 혼성 극성 전해조 구조에서 전해조의 뒷판들 사이에 신규한 저압, 고접촉 표면적이 이용된다.
본 발명은 개조가 거의 또는 전혀 필요없는 막 전해조 구조를 제공한다. 새롭고 좋은 전극 요소들이 개발됨에 따라, 이들은 신규의 전류 분배 부재 및/또는 신규의 단극성, 쌍극성, 또는 혼성 전해조가 저압 접촉 특징의 상실없이 개조될 수 있다.
본 발명은 단일 품목으로 제조되어 개조없이 단순히 조립 순서만을 바꿈으로써, 쌍극성 및 단극성 막 전해조 모두에 사용될 수 있는 음극 조립체, 양극 조립체 및 전류 분배 부재 구조를 제공한다. 이러한 독특한 능력 때문에, 한 전해조내 혼성 전해조 또는 조합된 단극성 또는 쌍극성 전해조 배치와 같은 다른 전해조 배치가 얻어질 수 있다. 혼성 전해조는 전기적으로 직렬로 배열된 다수의 단극성 부분 또는 전기적으로 병렬로 배열된 다수의 쌍극성 부분 또는 그 부분들의 조합으로 이루어질 수 있다. 이것의 장점들은 기존 정류기용량에 맞도록 전해조의 전류를 선택할 수 있고, 쌍극성 구조의 단점(전류 누출, 전해조를 통과하는 단일 전류 통로, 고전압 회로 같은)을 피할 수 있고, 단극성 구조의 단점(필요한 버스용량의 감소, 낮은 정류회로 같은)도 피할 수 있다는 것이다. 혼성 구조의 다른 장점과 배치는 당업자에 쉽게 인식될 것이다.
본 발명의 또 다른 장점은 다른 부품을 바꾸지 않고 전류 분배 부재 및 다른 요소들을 바꿀 수 있다는 것과, 전류밀도 변화에 의해 자본비용에 대한 동력비용을 최적화할 수 있다는 것과, 전도체봉의 필요성을 제거할 수 있다는 것이다.
따라서, 본 발명은 전해조 내부 조건에 대한 내부식성을 갖고 전극으로 전류를 도입하고 유출시키는 전기전도 물질의 뒷판을 갖는 수직으로 배치된 전극 조립체와 그 조립체에 배치된 최소한 하나의 막과 액체, 기체 및 전기 에너지를 공급 및 배출하는 수단을 포함하는 최소한 하나의 전해실로 구성되고 전해조의 말단벽을 이루는 단부판을 가지는 필터 프레스 전해조에 있어서, 대향하는 전극 조립체 뒷판과 전류 공급 수단 사이에 접촉 접속부에 의해 전기 접속이 이루어지고, 전기 접촉 지역의 크기가 전해조의 전극 조립체의 크기와 사실상 길고, 상기 접촉 접속부는 야금학적 결합없이, 저압, 높은 표면 접촉 면적, 낮은 전류 밀도의 기계적 접속으로 이루어지고, 상기 전류 공급수단은 양극 뒷판, 음극 뒷판, 전류 분배 부재 또는 이들의 조합으로부터 선택되어, 상기 접촉 접속부가 대향하는 뒷판을 통해 전해액과 분리됨을 특징으로 하는 필터 프레스 전해조를 제공한다.
본 발명은 상기 전해조를 소금물로부터 가성소다와 할로겐을 생산하는데 사용하는 것도 포함된다.
본 발명은 (1) 전해조의 내부조건에 대해 내부식성이며, 전극으로 전류를 공급하고 배출시키는 전기 전도 물질의 뒷판을 갖는 수직으로 배치된 전극 조립체와 그 조립체에 배치된 최소한 하나의 막과 액체, 기체 및 전기 에너지를 공급 및 배출하는 수단을 포함하는 최소한 하나의 전해실로 구성되고 전해조의 말단벽을 형성하는 단부벽을 가지는 필터 프레스 전해조와 밀접한 접촉을 하도록 소금물을 배치시키는 단계와, (2) 전기 에너지를 전해조에 공급하여 가성소다와 할로겐을 생산하는 단계로 구성되어 소금물로부터 가성소다와 할로겐을 생산하는 방법에 있어서, 대향하는 전극 조립체 뒷판과 전류 공급 수단 사이에 접촉 접속부에 의해 전기 접속이 이루어지고, 전기 접촉지역의 크기가 전해조의 전극 조립체의 크기와 사실상 같고, 상기 접촉 접속부는 야금학적 결합없이 저압, 높은 표면 접촉면적, 낮은 전류밀도의 기계적 접속으로 이루어지고, 상기 전류 공급 수단은 양극 뒷판, 음극 뒷판, 전류 분배 부재, 또는 이들의 조합으로부터 선택되어 상기 접촉 접속부가 대향하는 뒷판을 통해서 전해액으로부터 분리됨을 특징으로 하는 상기 방법을 제공한다.
상기 전류 공급수단은 음극 뒷판, 양극 뒷판 또는 전류 분배 부재일 수 있다.
본 발명은 전기분해 공정에 사용되는 단극성 필터 프레스 전해조를 제공한다. 이런 형태의 전해조는 일반적으로 양극, 음극, 막으로 구성되고, 스프링에 의해 부하를 받거나 받지 않을 수 있는 연결봉에 연결된 격벽들안에 수용된다. 본 발명의 단극성 전해조는 본 발명의 저압, 저 전류밀도, 고면적의 신규한 접속부를 통해서 전해조 내 양극과 음극으로 전류를 공급하고 방출하도록 인접한 음극들 사이와 인접한 양극들 사이에 위치하는 전류 분배 부재를 가진다.
본 발명은 또한, 전기분해 공정에 사용되는 쌍극성 필터 프레스 전해조를 제공한다. 이런 형태의 전해조는 일반적으로 쌍극성 전극 조립체와 막을 포함하고, 스프링에 의해 부하를 받거나 받지 않을 수 있는 연결봉에 의해서 연결된 격벽들 안에 수용된다. 일 구체예에서, 본 발명의 쌍극성 전해조는 저압, 저전류 밀도, 고면적의 신규한 접속부를 통해 전류가 전해조에 공급 및 유출되도록 각 단부판과 쌍극성 전극 조립체(양극쪽이 한쪽 단부판으로 향하고 또 음극쪽이 다른 단부판으로 향하는) 사이에 배치되는 신규한 전류 분배 부재를 가진다. 더욱이, 양극의 뒷판과 쌍극성 전극조립체의 음극 요소사이의 저압, 고표면접촉 면적, 낮은 전류밀도의 신규한 기계적 접속부를 통해서 전해조와 전해조 간에 전류가 전도된다.
또한, 본 발명은 전기 분해 공정에 사용되는 단극성 및/또는 쌍극성 전해조가 조합된 혼성 전해조를 제공한다. 이 형태의 전해조는 단극성 형태로 배열된, 즉, 각 쌍극성 부분이 전해조의 말단벽에서 전기적으로 병렬로 연결된, 다수의 쌍극성 부분으로 구성되거나, 또는 쌍극성 형태로 배열된, 즉, 각 단극성 부분이 전해조의 말단벽에서 전기적으로 직렬로 연결된 다수의 단극성 부분으로 구성될 수 있다. 전극들에의 전기적 접속은 다른 전극의 뒷판의 양쪽 전류 분배부재사이의 신규한 저압, 고면적 접속부에 의해 이루어진다. 또한, 본 발명의 혼성 전해조는 하나의 전해조내 단극성 및/또는 쌍극성 조립체의 어떤 배열도 포함한다. 이 혼성 전해조는 접촉 면적이 전극들의 활성 지역의 크기와 사실상 같은 저압, 고면적, 저전류밀도의 신규한 접속부를 사용한다.
단극성, 쌍극성 및 혼성 전해조에서는, 원료를 받고 생성물을 배출하는 외부의 또는 일체의 공급수단이 제공될 뿐만 아니라, 공급물 및 생성물이 세지않도록 이 시스템을 밀봉하는 방법이 제공된다. 또한, 전해조 안밖으로 전기 에너지를 공급 및 배출하는 방법도 제공된다. 이 전기 시스템은 일반적으로 버스(bus)시스템으로 불리며, 본 발명에서는 전해조의 외부에 있다.
본 발명에 사용되는데 적당한 양극은 양극 뒷판과 활성 양극 표면 지역을 포함한다. 바람직한 구체예에서, 활성 양극 표면 지역은, 귀금속 및/또는 그들의 산화물, 전이금속 산화물 및 이들 물질의 혼합물이 전기촉매 피복된 밸브 금속 기질을 포함하는 공지의 형태의 다공성 양극으로 이루어진다. 양극 부재는 일반적으로 평면 형태이며, 확장된 금속 메시(mesh), 천공된 판 또는 철사채와 같은 다공 물질로 만들어진다. 이 다공 물질은 높은 표면적을 가지며, 예를들어 "마이크로 메시"크기의 구멍을 갖는 것으로 알려진 확장된 금속 메시와 같이, 많은 작은 구멍을 가짐으로써 막과 많은 접촉점을 갖는다. 또 적당한 것으로는 미국특허 제4,517,069호에 설명된 바와 같은 DSA(등록상표)로 피복된(전기 촉매적 피복) 티타늄 금속의 그물구조의(망상의) 양극이 있다. 이 활성 양극지역은 바람직하게는 용접에 의해서 양극 뒷판에 기계적 및 전기적으로 부착된다. 또한, 활성 양극지역은 스프링을 통해서 뒷판에 부착되는 것이 바람직하다. 따라서, 접촉점의 수가 많도록 하기 위해 양극이 막에 대해 스프링에 의해 밀어붙여질 수 있다. 이 스프링은 여러가지 형태를 취할 수 있고 다양한 금속으로 만들어질 수 있으나, 활성 양극지역과 동일한 금속으로 만들어지는 것이 좋다. 용접은 저항용접, TIG 용접(텅스텐 불활성기체용접), 전자비임 용접, 확산용접(확산결합) 및 레이저 용접의 형태를 취할 수 있다. 현재 바람직한 것은 저항 용접 기술이다.
그러나, 그물구조의 양극을 사용할때는, 활성 그물상 물질이 제위치에 주조되고 팬에 확산 결합되거나 또는 상기 적당한 용접 기술에 의해 용접될 수도 있다.
본 발명에서 사용하기 적당한 음극은 일반적으로 음극 뒷판과 활성 음극 표면 지역을 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 바람직한 구체예에서, 본 발명은 니켈, 철, 강, 스테인리스 강 또는 다른 유사한 합금 물질의 판상물질로부터 찍어낸 음극팬을 포함한다. 활성 음극 표면지역도 철, 강, 스테인리스 강 또는 다른 유사합금 물질과 같은 물질로 만들어진다. 음극 활성 표면 지역은 작은 구멍을 가지며, 미국특허 제4,615,784호에 설명된 바와 같이 만들어진 그물구조의 금속부재인 것이 바람직하다. 그러나, 니켈 메시, 강철 메시 및 양극과 관련해서 앞에 설명한 바와 같은 스프링 부하 시스템도 역시 적당하다. 또한, 제로 간격(Zero gap) 및/또는 유한 간격 전해조에서 사용되는 다른 알려진 형태의 음극도 본 발명에 사용될 수 있다.
음극 활성 표면 지역은 음극팬에 전기적 및 기계적으로 부착된다. 상술한 메시 양극과 유사한 금속 메시로부터 제조된 음극의 경우, 용접이 바람직한 부착 방법이다. 그물구조의 음극을 제조하는 경우에는 도금이 바람직한 부착방법이고, 전기화학적 도금이 가장 바람직하다. 이러한 접촉은 필요시 기계적 압력에 의해서만 실현될 수 있다.
마지막으로 양극 및 음극이 소위 제로간격 전해조인 본 발명의 바람직한 구체예와 관련하여 설명되었으나, 전해조가 막과 전극사이에 유한 간격을 갖느냐 아니냐는 본 발명에서 중요하지 않다. 따라서, 본 발명은 공지의 유한 간격 전해조에도 완전하게 사용된다.
바람직한 구체예에서, 본 발명의 전극은 단일의 뒷판을 갖는 팬(pan)을 사용한다. 따라서, 양극 및 음극에 필요한 팬들은 둘다 유사한 다이(die)로 성형되고, 크기와 모양이 사실상 동일하다. 그들의 차이는, 적당한 유체가 특정 지역, 즉 음극지역 또는 양극지역으로 드나들게 하도록 사용된 다기관의 구조와, 팬의 재질(양극팬은 일반적으로 밸브 금속, 바람직하게는 티타늄 또는 티탄 합금 또는 양극실의 부식조건에 저항하는 다른 금속으로 만들어지고, 음극팬은 니켈, 강, 스테인리스 강 또는 이들의 합금 또는 음극실의 부식조건에 저항하는 다른 금속으로 만들어진다)과, 밀봉 수단 및 그 밀봉 수단을 수용하는 홈의 위치이다.
팬들은 전해액과 전극활성지역을 수용하는 격실을 형성하는 뒷판에 부착되는 일체의 프레임을 형성하는 형태로 되어 있다. 뒷판은 대체로 평편하고, 전기 접속을 좋게하기 위해서 전류 분배 부재 또는 다른 전극 뒷판에 일치할 수 있도록 유연한 것이 좋다. 팬의 프레임은, 팬들이 그들 사이에 있는 막과 마주보도록 배열될때는 평편한 개스킷, 0-링 또는 다른 모양의 개스킷으로 밀봉될 수 있는 면을 가지며, 또한, 그라우팅(grouting)물질, 즉 충전 물질을 부여함으로써 강직하게 될 수 있는 지역을 가질 수 있다.
그라우팅 물질로 팬을 강직하게 하는 한가지 목적은 얇은 팬 금속이 붕괴없이 개스킷의 압축력에 견딜 수 있도록 얇은 팬 금속을 보강함으로써, 0.015-0.1인치(0.038-0.254cm)정도의 두께의 판 금속의 얇은 물질을 사용하여 값비싼 내부식성 경제적으로 사용할 수 있게 하는 것이다. 다른 목적은 전극을 다루기 쉽게하며, 또 내부 압력 유지 능력을 증가시키는데 있다.
그라우팅 물질(충전물)로 사용하는데 적당한 것은 예를들어, 열가소성물질, 탄성중합체, 수지, 우레탄, 금속성형물, 및 여러가지 폴리플루오르화 물질등이다. 현재로는 에폭시 종류나 유리섬유 보강 폴리에스테르 또는 비닐에스테르가 좋다. 그라우팅 물질은 제위치에 직접 주조되거나 또는 미리 제조된 후 나중에 제위치에 배치 또는 결합될 수 있다. 어느 경우나, 전극 재코팅 공정에서 이들 물질이 비교적 쉽게 제거될 수 있는 것이 유리하다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 양극팬은 일반적으로 밸브 금속판을 팬의 형태로 압형하여 성형된다. 바람직한 양극 물질은 티타늄금속 또는 그의 합금이다. 양극 활성 표면지역은 전기적 및 물리적으로 양극팬에 부착된다.
본 발명에서 전극 수용체는 전해액 및 전극을 수용하는 격실을 형성하는 프레임일 수 있고, 그 프레임은 뒷판에 영구적으로 부착되는 대신에 뒷판으로부터 분리될 수 있다. 이 프레임은 플라스틱, 금속 등과 같은 물질중의 하나로 만들어질 수 있다. 주변 프레임은 팬의 반대편으로 전극 구조물에 대해 개스킷으로 부착되는 별도의 부재이다. 양극 요소 및 음극 요소 모두는 전극을 둘러싼 전해액을 위한 수용부를 형성하고 프레임의 통로를 통해 공급 및 방출하는 수단을 제공하는 프레임에 의해 완성된다. 이 프레임은 내부식성판에 그의 주변에서 개스킷으로 부착되고, 또한 막을 밀폐하는 반대편에도 개스킷으로 부착되어 전극 수용부를 형성한다. 양극 요소와 음극요소는 그들 사이에 막을 끼운채로 교대로 쌓이며, 단부판(격벽) 및 연결봉에 의해 눌려진다. 프레임은 (1) 적당한 내부식성 플라스틱(양극에 대해서는 kynar, CPVC, teflons, 탄성중합체, ABS, 등이고, 음극에 대해서는 CPVC, 폴리프로필렌, ABS, 탄성중합체, teflon 등이다)으로 성형되거나, (2) 용접, 접착등에 의해 이 플라스틱물질로 제조되거나, 또는 (3) 프레싱, 연신, 압연, 용접, 압축, 단조, 등 또는 이들의 조합에 의해 중공이거나 중공이 아닌 내부식성 금속(양극에 대해서는 티타늄 또는 합금이고, 음극에 대해서는 강, 니켈, 스테인리스 강, 등이다)으로 제조될 수 있다. 개스킷은 0-링, 평편한 개스킷, 압출된 개스킷은 또는 다른 공지의 수단(미국특허 제4,344,663호)일 수 있다.
본 발명에 사용하기에 적당한 막은 현재 시판되는 여러가지 형태의 것일 수 있으나, 일반적으로 표면이 이온교환 기능을 행하는데 필요하도록 개조된 불화 중합체 물질로 된 것이다. 바람직한 물질의 하나로는, 팬던트기가 양이온 교환관능기인 과불화 공중합체이다. 이 과불화 탄소는 하나의 단량체가 비닐플로라이드, 헥사플로로프로필렌, 비닐리덴 플로라이드, 트리플로로에틸렌, 클로로트리플로로에틸렌, 과불과(알킬비닐에테르), 테트라플로로에틸렌으로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 2개의 단량체의 공중합체이거나 이들의 혼합물이다.
두번째 단량체는 대개 SO2F 또는 설포닐플로라이드를 팬던트기로 가지는 단량체 군에서 선택된다. 이런 두번째 단량체의 예가 일반적으로 일반식 CF2=CFRμSO2F로 표시될 수 있다. 이 일반식에서 R1은 일반적으로 1-8개의 탄소원자를 가지며 종종 25개 만큼 많은 탄소원자를 가지는 이관능 과불화기이다. 일반식에 대한 한가지 제약은 특히 관능기가 -(SO2NH)mQ 형태로 존재하는 -SO2F기에 인접한 탄소 원자가 적어도 하나의 불소원자를 갖고 있어야 한다는 것이다. 이 일반식에서, Q는 수소 또는 아칼리 금속 또는 알칼리 토금속 양이온이며 m은 Q의 원자가이다. 일반식의 R1부분은 어떤 적당한 또는 통상의 배치도 가능하나, 비닐기 공단량체가 에테르 결합으로 R1에 연결되는 것이 좋다.
그러한 과불화탄소는, 이. 아이. 듀폰사에서 NAFION(등록상표)의 상표면으로 판매되고 있다. 과불화(3,6-디옥사-4-메틸-7-옥텐설포닐 플로라이드)를 함유하는 과불화탄소 공중합체는 Cl2전해조에 특히 좋다. 염화나트륨의 해수가 전해조로부터 클로로알칼리 생성물을 만드는데 이용되는 경우, 대부분의 부피가 펜던트설포닐 플로라이드 유도 관능기를 갖는 과불화 탄소 공중합체이며, 한 막표면에 인접하여 카보닐플로라이드 유도관능기를 갖는 비교적 얇은 층의 과불화 탄소 공중합체로 된 막을 사용하는 것이 유리하다. 이들 막은 ZrO2및 TiO2같은 금속성 물질로 막표면을 침지시키는 무기표면처리로 더 개조되는 것이 바람직하다. 이 개조는 막과 전극의 중간면을 따라 기포가 발생하는 문제를 제거하는데 도움이 되는 것으로 믿어진다. 이 문제를 제거함으로써 전해조는 더욱 효과적으로 작동할 수 있다. 이런 형식의 막 개조에 대한 더 상세한 설명은 미국특허 제4,421,579호에서 참조할 수 있다.
본 발명은 전해조로 전류를 공급하고 방출시키기 위한 신규의 전류 분배 부재를 사용한다. 이것은 단극성 전해조 또는 쌍극성 전해조에서 외부전원과 접속되는 곳에 사용되며 또 혼성 전해조에서는 외부 전원 또는 전해조의 다른 부분에 연결하는데 사용된다. 그리하여, 양극 및 음극의 IR 손실에 기인한 전해조 크기의 제한없이 전해조의 안밖으로 고르고, IR 손실이 적게 전류를 도입하고 분배할 수 있다. 이것은 전극 조립체의 크기와 사실상 같은 크기의 전기 접속부를 가진 전류 분배 부재를 사용함으로써 가능하다. 물론, 전류 분배 부재가 전극 조립체보다 크기가 작은 것을 사용할 수도 있으나, 전류 분배 부재의 크기가 줄면 IR 손실이 증가된다는 사실을 분명히 알아야 한다. 당연히, 그곳은 IR 손실이 너무나 큰 곳이다. 비슷하게, 전류 분배 부재는 전극 조립체보다 크기가 클 수도 있다. 그러나, 이것은 접촉면적을 증대시키지 않으므로 이익이 없다. "크기"라는 말은 전극 조립체와 기계적 및 전기적 접속이 가능한 표면 면적을 결정하는 길이 및 폭의 크기를 의미한다. 구리 및 알루미늄이 밸브 금속보다 더 놓은 전도체이므로, 어떤 스테인리스강 합금 전해조는 낮은 IR 손실 수준을 유지하면서 크기가 더 크게될 수 있다. 그러나, 구리 및 알루미늄이 무게와 비용 절감 및 필요한 금속의 부피가 작아서 좋지만, 충분한 부피가 제공된다면 어떤 전도성 금속도 허용가능한 IR 손실 수준을 가지고 필요한 전류를 전달할 수 있다. 또한, 이 신규의 전류 분배 부재는 전해조에서 더 높은 전류 밀도에서 사용될 수 있게 하면서, 단위 면적당 낮은 전류 밀도로 작동해야 하는 전해조보다 더 많은 가성소다와 염소를 얻을 수 있다.
전류 분배 부재는 일반적으로 고형의 구리 평판이지만, IR손실이 낮고 전류 분배가 필요한 전류를 운반할 수 있도록 충분한 단면적을 가지는 어떤 적당한 전도체도 사용될 수 있다. 이런 다른 전도성 금속의 적당한 예는, 니켈, 철, 강, 뿐아니라 이들 금속의 합금 및 구리와 알루미늄의 합금 등을 포함한다.
바람직한 구체예에서, 단극성 전해조 및 혼성 전해조의 단극성 부분에서는, 단일 단극성 양극 요소를 형성하도록 각 팬의 뒷쪽이 전류 분배 부재와 대면한채 양극 팬들 사이에 전류 분배 부재가 배치된다. 비슷하게, 단일 단극성 음극 요소를 형성하도록 각 팬의 뒷쪽이 전류 분배 부재와 대면한채 음극팬들 사이에 전류 분배 부재가 배치된다.
바람직한 구체예에서, 쌍극성 전해조 및 혼성 전해조의 전류 분배 시스템의 쌍극성 부분에서는, 전류 분배 부재는 각 전해조 뒷판과 쌍극성 전극 조립체 사이에 있고, 한 양극면은 한 뒷판에 대면하고 음극면은 다른 뒷판에 대면한다. 전류 분배 부재는 전해조의 한쪽 측면에서만 전해조의 측면을 지나서 돌출한다. 인접한 양극 사이의 그 전류 분배 부재들은 한쪽에서 연장하는 반면, 인접한 음극 사이의 전류 분배 부재들은 반대쪽에서 연장한다. 이러한 연장부는 버스 시스템을 통해서 전원 또는 전해조의 다른 부분과 접속하는데 사용된다. 버스를 전류 분배 부재에 접속하는 방법은 중요하지 않으며 그 방법은 잘 알려져 있어 상세히 설명하지 않는다.
바람직한 평판형 시이트외에도, 이 전류 분배 부재는 캐린더(calender) 가공된, 또는 홈이 파인, 또는 주름잡힌 또는 톱니형상의 표면을 갖는 시이트일 수도 있고, 또는 중간층 물질이 부착되거나 표면들 사이에 끼워진 시이트일 수 있고, 또한 표면에 전도성 물질, 즉, 전도성 금속 입자를 함유하는 그리이스(grease)를 표면에 분포시킨 시이트일 수도 있다. 이들 표면 개조의 이유는 기계적 표면 접촉의 양이 최대로 유지되며 전류 분배 부재와 양극 또는 음극사이에 접촉 저항이 최소가 되게함으로써 전류 분배 부재와 양극 및/또는 음극 사이의 전기 접속을 향상시키는 것을 도와주기 위해서이다. 또한, 전류 분배 부재의 두께는 특정 크기의 전해조에 대해서 비용을 줄이기 위해 필요한 전류와 전압을 근거로하여 전류 분배 부재의 길이를 가로질러 변경될 수도 있다. 이런 경사진 두께의 부재가 사용되면, 격벽사이에서 눌러질 전해조의 더미를 평행하게 하도록 양극의 경사와 음극의 경사는 꺼꾸로 되어야 한다는 것이 이해될 것이다. 끝으로, 전류 분배 부재는 전해조를 위한 구조적 지지체를 제공하는데도 사용될 수 있다.
단극성, 쌍극성 또는 혼성 전해조에 관하여, 전류 분배 부재 또는 전극 뒷판은 팬들내의 전해액의 수압 또는 정압(靜壓)에 의해서, 양극 및/또는 음극 구조의 스프링 압력에 의해서, 그리고 격벽-연결봉 조립체에 의해 필터 프레스 배열에서 눌려질 지지체에 의해서 전체 면적의 상당한 부분에 걸쳐서 전극 뒷판과 기계적으로 접촉하여 유지된다. 이러한 신규의 전기 접속부는 전해조의 바깥에서 이루어져서, 뒷판에 의해 전해액으로부터 분리되어진다. 뒷판은 전해액이 신규의 전기 접속부와 접촉되지 않게 전해액을 제약한다. 가해지는 압력은 0.5-100psi(0.035-7.03kg/cm2)의 범위이며 약 1-20psi(0.0703-1.403kg/cm2)가 바람직하다. 압력이 증가하면, 접촉 저항이 줄어든다. 통상, 이 기술에서 일반적으로 알려진 전기 접속부들(즉, 버스)의 기계적 접속의 경우에, 낮은 비접속 저항을 얻기 위해서는 저면적, 고압(즉, 500-5000psi)(35.15-351.5kg/cm2)의 접속부가 사용되며, 또 접속부를 가로질러서의 전류 밀도는 비저항과 전류밀도의 곱과 동일한 접속부 접촉 전압 손실이 있으면서도 높아야(즉, 200-2000asi)(31-310amps/cm2)한다. 또, "전류 흐름선"(current stream-line) 효과 같은 다른 인자들이 이런 형태의 기계적 접속부를 가로질러서의 전체 전압 손실에 영향을 미친다. 뒷판과 전류 분배 부재의 접촉 또는 뒷판과 뒷판의 접촉의 경우, 접속 압력은 더 낮아(1-20psi)(0.0703-1.403kg/cm2) 더 높은 비저항을 생성하지만, 접촉면이 매우 커서 낮은 전류 밀도(0.5-10asi)(0.0775-1.55amps/cm2)와 접속부를 가로질러서의 낮은 저항 손실을 제공한다.
예를들어, 양극에 사용될 수 있는 것과 같은 구리-티타늄 접속부(5psi(0.3515kg/cm2)의 압력에서 3asi(0.465amps/cm2)로 작동함)[비저항은 3.5×10-3ohm-in2(22.58x10-3ohm/cm2)]는 1.05×10-2볼트의 전압 손실을 가지며, 음극에 사용될 수 있는 것과 같은 구리-니켈 접속부(5psi압력에서 3asi로 작동함)[비저항은 7.7×10-5ohm-in2(49.68×10-5ohm/cm2)]는 2.33×10-4볼트의 전압 손실을 가진다. 구리-티타늄 접속부와 구리-니켈 접속부 사이의 차이는 다른 물질 및 다른 표면처리 및 산화물등에 기인한 접촉 저항의 차이 때문이다. 각종 금속의 낮은 접촉 저항의 잇점을 얻기 위한 금속 표면의 개조 또는 중간층 물질의 사용은 아래에서 논의될 것이다.
얇은 팬은 유연하여 접촉시 전류 분배 부재 또는 짝을 이루는 뒷팬에 일치되도록 변형되어 넓은 접촉 면적을 얻을 수 있어서 바람직하다. 또한, 전도성 망상조직(스폰지 금속), 멀티램(Multilam), 전도성 모, 등과 같은 물질은 접촉면적을 증대시키기 위해서 전류 분배 부재 또는 뒷판들과 접촉하는 접촉면으로 사용될 수 있다. 접촉 저항은 접촉하는 물질에 좌우되므로, 전류 분배 부재 및/또는 팬은 접촉 저항을 줄이기 위해서 접촉면으로 어떤 물질에 의해 피복될 수 있다. 적당한 예로는 은, 금, 백금, 니켈 및 구리같은 금속을 플라즈마 분무, 도포, 화염분무, 스퍼터링(sputtering), 증착 및 그들의 조합된 방식에 의해 피복하거나 도금하는 것이 포함된다.
상기 물질 외에도, 개스킷과 같은 밀봉 수단이 전류 분배 부재와 팬 또는 프레임 사이, 또는 쌍극성 전극 조립체의 양극 요소와 음극 요소사이에 배치될 수 있다. 이 밀봉 수단은 전류 분배 부재 및/또는 양극 요소와 음극 요소 주변을 둘러싸도록 배치되어, 접촉면을 산화시켜 저항을 증가시킬 수 있는 부식성 성분의 침입을 방지하도록 하며, 이 밀봉 수단으로 전도성 및/또는 내산화성 물질을 이용할 수도 있다.
이들 접속부를 성공적으로 사용할 수 있는 열쇠는 대략 1-100psi(0.0703-7.03kg/cm2)보다 낮은 접속 압력에서 약 0.5-10asi(0.0775-1.55amps/cm2)의 낮은 전류 밀도를 사용함으로써 높은 저항 접속부에서 낮은 IR손실이 일어난다는 사실이다.
전해조를 제자리에 고정시키고 또 전해조를 밀봉하기 위해 사용된 격벽, 연결봉 및 관련 장치는 일반적으로 잘 알려져 있다. 그들은 상기 격벽들 사이에서 눌려질 전해조와 대체로 같은 크기이며 일반적으로 무거운 게이지의 강철로 만들어진다. 격벽 및 연결봉은 각각의 특정 용도에 따라서 전해조로부터 전기적으로 분리되거나 되지 않을 수 있다.
소금물, 가성소다, 물의 도입과, 수소, 염소, 가성소다, 양극액 및 음극액의 배출은 내부 또는 외부의 또는 일체의 다기관에 의해 수행될 수 있다. 외부 다기관이 사용되는 경우, 여러가지 유체 및 기체를 이송하는데 적당한 물질은 이 분야에 잘 알려져 있어 더 이상 설명하지 않는다. 내부 또는 일체의 다기관의 경우에, 출입구들은 사용조건하에서 통상 화학약품에 의해서 공격받는 물질로 만들어질 수 있으나, 사용조건에서 불활성인 플라스틱 또는 유기 중합체 물질이 내부에 배치된다. 그러나, 일체의 다기관은 특정의 출입구에 대해서는 티타늄 금속 또는 니켈금속으로 만들어지는 것이 좋으며, 상기한 내부의 및/또는 일체의 다기관은 특정의 다기관에서 요구되지 않는 전해조의 극성과 접촉하지 않도록 물리적으로 떨어져 있게 함으로써 각 전해조로부터 전기적으로 분리되어 있는 것이 좋다.
예를들어, 본 발명의 제로 간격의 쌍극성 필터 프레스 전해조는, 양극 요소 팬뒷면이 음극 요소 팬뒷면과 마주보며, 양극 요소 및 음극 요소의 노출된 활성 표면 위에는 노출된 활성 표면과 물리적으로 접촉된 막이 있고, 막의 노출된 표면 위에는 반대 극성의 활성 표면이 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 이런 조립체는 원하는 전해조의 수에 달할때까지 반복되며 각 말단에는 단일의 전류 분배 부재가 배치된다.
본 발명의 제로 간격의 단극성 필터 프레스 전해조는, 2개의 양극팬 뒷면이 서로 마주보며 전류 분배 부재에 의해 분리되어 있는 구조가 바람직하다. 양극의 노출된 활성표면에는 양극과 물리적으로 접촉된 막이 있고, 그 막의 노출된 면위에는 각쌍 사이에 전류 분배 부재가 배치된채 뒷면끼리 짝지어진 음극이 있다.
이런 더미 조립체는 원하는 수만큼의 전해조가 될 때까지 반복된다. 격벽은 상기한 대로 만들어진 전해조를 수용하도록 연결봉 및 관련 장치를 연결한 채로 단극성 또는 쌍극성 전해조 모두에서 양쪽 끝에 제공된다.
상기 더미 조립체는 잘 알려진 개스킷이나 0-링으로 밀봉된다. 또한, 개스킷 및/또는 0-링에 필요한 적당한 면 또는 홈이 각각의 양극 팬 및 음극팬에 제공된다.
본 발명을 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
제 1 도 및 제 3-7 도는 본 발명의 단극성 전해조를 나타낸다. 제 1 도는 본 발명의 단극성 전해조의 바람직한 구체예를 보여주며, 이 단극성 전해조(1)는 수직적으로 배치된 다수의 양극 조립체(4)와 음극 조립체(5)로 구성되고, 그 조립체들은 선택투과성 막(6)과 사실상 간격없이 물리적으로 접촉한다. 또한, 일체의 다기관(100)도 도시되어 있고, 격벽(2) 및 연결봉(3)도 도시되었다. 제 2 도는 실시예 1 및 실시예 2에서 사용한 바와 같은 필터 프레스 전해조를 분해하여 보여준다. 제 1 도에서와 같이, 전해조(1)는 격벽(2), 연결봉(3), 양극 조립체(4), 음극 조립체(5) 및 막(6)을 포함한다. 제 3 도는 제 1 도의 전해조의 부분 단면 평면도를 보여준다. 이 도면은 전류 분배 부재(30)의 양쪽에 위치한 양극팬(10) 및 음극팬(20)을 보여준다. 양극팬들(10)은 스프링(12)에 의해서 이 팬에 부착된 활성 양극지역(11)을 가지고 있고, 또한, 밀봉 수단(13)을 구비하고 있다. 이와 비슷하게 음극팬들(20)은 스프링없이 그들에 부착된(이 특수한 경우 그물 구조인)활성 음극지역(21)을 가지고 있으며, 또한 밀봉 수단(23)을 구비하고 있다. 이들 양극 및 음극 조립체는 교대로 배치되고 막(6)에 접촉하여 그 막에 의해 분리되어 있다. 스페이서(spacer)(40)는 적당한 전해조 크기를 유지하는데 필요한 경우 사용된다.
마지막으로, 그 팬들을 좀더 단단하게 하기 위해 그라우팅(grouting) 물질(50)이 이용된다. 제 4 도는 막(6), 스페이서(40), 음극 조립체(5) 및 양극 조립체(4)와 관련된 일체의 다기관(100)의 위치를 보여주는 단면도이다. 이 다기관(100)은 스페이서(101), 밀봉 수단(103), 다기관 밀봉 수단(106) 및 다기관 부분(107)으로 구성된다. 제 5 도는 단극성 음극 조립체(5)를 좀더 자세히 보여주는 것으로 두개의 음극팬(20), 활성 음극지역(21), 밀봉 수단(23), 전류 분배 부재(30) 및 다기관(100)을 나타낸다. 이와 비슷하게, 제 6 도는 두개의 양극팬(10), 활성 양극 지역(11), 밀봉 수단(13), 전류 분배 부재(30) 및 다기관(100)을 보여준다.
제 7 도는 양극 조립체(4), 음극 조립체(5) 및 다기관(100)을 보여주는 다기관 조립체의 자세한 모양을 나타낸다. 특히, 이 다기관(100)은 스페이서(101), 밀봉 수단(103), 연결기(104) 및 다기관 부분(107)으로 구성된 것으로 도시되어 있다. 또한, 전류 분배 부재(30) 및 스페이서(40)도 도시되어 있다. 그러나, 음극 조립체의 다기관 부분(107) 및 스페이서(101)는 양극 조립체의 것과 반대로 되어 있다.
제 8 도는 본 발명의 쌍극성 전해조의 바람직한 구체예를 보여준다. 제 8 도는 수직적으로 배열된 다수의 양극 조립체(35)와 음극 조립체(36)로 구성되고 이 조립체들이 선택투과성 막(37)과 사실상 간격 없이 물리적으로 접촉되어 있는 쌍극성 전해조(32)를 보여준다. 단일의 전류 분배 부재(61)가 전해조의 양쪽 끝에 위치하며, 중간층 물질(38)이 인접한 양극 및 음극 조립체들의 뒷판들과 접촉한채로 그들 사이에 배치되어 있다. 또한, 일체의 출입구(131)와 격벽(33) 및 연결봉(34)도 도시되어 있다.
제 9 도는 본 발명의 혼성극성 전해조의 한 형태의 바람직한 구체예를 보여준다. 제 8 도에서와 같이, 이 전해조(32)는 격벽(33), 연결봉(34), 양극 조립체(35), 음극 조립체(36), 막(37), 중간층 물질(38), 전류 분배 부재(61) 및 일체의 출입구(131)로 구성되어 있다. 제 10 도는 제 8 도의 전해조의 부분 단면 정면도로서, 양극 조립체(35) 및 음극 조립체(36)를 보여준다. 전해조의 양끝에는 단일의 전류 분배 부재(61)가 위치한다. 양극 조립체는 스프링(43)을 통해 양극 팬에 부착된 활성 양극지역(42)과 밀봉 수단(44)을 가지고 있고, 이와 비슷하게, 음극 조립체는 스프링 없이 음극팬에 부착된 그물 구조의 활성 음극 지역(52)를 가지고 있으며, 밀봉 수단(54)을 구비하고 있다. 이들 양극 및 음극 조립체는 교대로 배치되고 막(37)과 접촉되어 그 막에 의해 분리되어 있다. 중간층 물질(38)이 적당한 전기 접촉을 유지하기 위해 필요한 경우 사용된다.
끝으로, 팬들을 더 단단히 하기 위해 그라우팅 물질(81)이 이용된다. 전해조내에 배열되고 서로 연결된 각종 단극 및/또는 쌍극 부분들에서, 필요한 수만큼 많은 전해조가 격벽들 사이에 배치될 수 있다.
제 11 도는 단극성 전해조 또는 혼성극성 전해조의 단극 부분의 부분 단면 정면도로서, 이 도면은 전류 분배 부재(61)의 양쪽에 위치한 양극 조립체(35) 및 음극 조립체(36)를 보여준다. 양극팬은 스프링(43)을 통해서 이 팬에 부착되는 활성 양극 지역(42)을 가지고 있으며, 밀봉 수단(44)을 구비하고 있다. 이와 비슷하게 음극팬은 스프링 없이 그 팬에 부착된 그물 구조의 음극 활성 지역(52)을 가지고 있으며, 밀봉 수단(54)도 구비하고 있다. 이들 양극 및 음극 조립체들은 교대로 배치되고 막(37)과 접촉하여 그 막에 의해 분리되어 있다. 스페이서(71)가 적당한 전해조 크기를 유지하기 위해 필요한 경우 사용된다. 끝으로, 팬들을 더욱 단단하게 하기 위해 그라우팅 물질(81)이 이용되고, 절연체(91)도 배치된다. 제 12 도는 제 9 도의 전해조의 부분 단면 정면도로서, 양극팬 및 음극팬 뿐만 아니라, 막(37), 중간층 물질(38), 전류 분배 부재(61), 절연체(91), 그라우팅 물질(81), 음극 활성 지역(52), 음극 밀봉 수단(54), 양극 밀봉 수단(44), 양극 활성 지역(42) 및 스프링(43)을 나타낸다. 제 13 도는 음극팬(51), 음극 활성 지역(52), 밀봉 수단(54) 및 일체의 출입구(131)를 갖는 음극 조립체(36)의 자세한 모습을 보여주고, 제 14 도는 양극팬(41), 양극 활성 지역(42), 밀봉 수단(44) 및 일체의 출입구(131)을 갖는 양극 조립체(35)의 자세한 모습을 보여준다.
하기 실시예들은 본 발명을 예시하나, 본 발명이 이 실시예들에 의해 제한되지는 않는다.
[실시예 1]
이 실시예는 음극과 전류 분배 부재 사이뿐 아니라, 양극과 전류 분배 부재 사이의 접촉 저항과 그에 따른 낮은 전압강하를 보여준다. 10인치×30인치(25.4㎝×76.2㎝)의 활성 표면 지역을 갖는 전해조(제 2 도에 도시된 바와 같은)가, 압축가능한 스프링 부하 티타늄 DSA(등록상표) 양극과 미국 특허 제4,517,069호의 기재에 따라 만들어진 그물 구조의 니켈 음극을 사용하여 조립되었다. 이 전해조는 또한, 양극과 음극사이에 NAFION(등록상표) 막 분리기를 사용하였다. 이 전해조는 간격 없이 작동되었다. 양극 뒷면에는 구리로된 그물구조의 부재가 배치되고, 구리로된 전류 분배 부재가 그 그물 구조 부재에 대하여 배치되었다. 또한 음극 뒷면에 대해서 구리로 된 전류 분배 부재가 배치되었다. 음극 뒷면과 구리로된 전류 분배 부재 사이뿐 아니라, 양극 뒷면과 구리로된 전류 분배 부재 사이에 일렉트로루브(electrolube), 즉 전도성 그리이스(grease)가 사용되었다. 2asi(0.31amps/㎠)의 전류를 통할때, 전류 분배 부재와 양극 사이의 접촉 저항은 대략 10mV이고 전류 분배 부재와 음극 사이의 접촉 저항은 약 3mV이다. 이들 접촉 저항은 팬의 뒷면과 전류 분배 부재 사이에서 밀리볼트미터를 사용해서 측정되었다.
[실시예 2]
이 실시예는 그물 구조의 중간층 물질의 유용성을 보여준다. 300평방 인치(1935㎠)의 단극성 전해조를, 미국 특허 제4,615,784호에 기술된 바에 따라서 제조된 그물 구조의 음극과, 압축가능한 메시(mesh) DSA(등록상표) 피복 양극에서 NaCl 전해액을 공급하면서 작동시켰다. 막은 NAFION(등록상표) 이온 교환막이었다. 이 전해조는 활성 막 면적과 같은 표면적의 구리로된 그물 구조 물질을 티타늄 양극팬의 뒷판과 활성 막 면적과 같은 표면적을 갖는 구리로된 전류 분배 부재 사이에 배치한 경우와 배치하지 않은 경우로 작동되었다. 전류 밀도가 2asi(0.31amps/㎠)일 경우에, 구리로된 그물 구조의 중간층 물질이 없을때는 양극팬의 뒷판과 전류 분배 부재 사이의 접촉 저항은 64mV이었고, 구리로된 그물 구조의 중간층 물질을 사용했을 때는 12mV이었다. 따라서, 접촉 저항을 감소시키기 위해 본 발명의 이 구체예를 사용하는 잇점은 분명히 밝혀졌다.
Claims (22)
- 격벽(2,33)과, 양극 전극 조립체(4,35) 및 음극 전극 조립체(5,36)와, 그 전극 조립체들 사이에 탄력적으로 결합되어 있는 이온 교환 막(6,37)과, 밀봉 수단과, 유체 및 전기 에너지를 공급하고 배출하기 위한 수단을 가지며, 상기 전극 조립체들에 전해액실의 적어도 일부를 형성하는 전기 전도성 물질의 뒷판들(10,20)과 활성 전극 지역들(11,21)이 있는 적어도 하나의 전해조(1,32)로 이루어진 필터 프레스 전해조로서, (a) 상기 전극 조립체들의 상기 뒷판들(10,20)에 전기 전도성 물질의 팬들이 일체로 형성되어 있고, 상기 팬들 각각이 주변 밀봉 수단(13,23)을 구비하고 또한 유체 공급 및 배출을 위한 상기 수단으로서 전기 전도성 물질의 일체의 다기관(100)을 구비하며, (b) 상기 전기 에너지가 인접한 전해조들의 팬들의 2개의 인접한 뒷판들(10,10 ; 20,20 ; 10,20) 사이와, 말단 전해조의 뒷판과 격벽(2) 사이에서 전류 분배 부재(30,61)를 거쳐 저압 연결부만을 포함하는 기계적 접촉 접속부들을 통해 통과되고, 상기 접촉 접속부들은 적어도 활성 전극 지역들(11,21)의 치수만큼 크고 상기 팬들의 뒷판들에 의해 전해액으로부터 분리되어 있으며 인접한 전해조들 외측에 위치되고, (c) 상기 전극 조립체들중 적어도 일부는 상기 뒷판들(10,20)과 활성 전극 지역들(11,21) 사이에서 연장하는 스프링 압축 부재(12)를 가지는 것을 특징으로 하는 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 인접한 전해조들의 인접한 뒷판들(12,20) 사이에 있는 상기 기계적 접촉 접속부의 상기 저압 연결부가 0.035-7.03kg/cm2사이의 압력으로 유지되는 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전극 조립체 팬의 일부분이 그라우팅 물질(50) 또는 충전 물질에 의해 단단하게 되어 있는 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 접촉 접속부가 음극 뒷판(20)을 양극 뒷판(10)과 연결하는 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류 분배 부재(30,61)가 니켈, 철, 강, 알루미늄, 구리 또는 그들의 합금으로 만들어진 단단한 평면의 금속판 형태로 되어 있는 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류 분배 부재(30,61)가 상기 전해조를 위한 구조적 지지를 제공하는 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류 분배 부재(30,61)가 상기 뒷판들과 접촉하여 있는 측면들에 전도성 물질이 피복되어 있는 단단한 평면의 금속판으로 된 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류 분배 부재(30,61)가 금속이 피복된 평면 시이트로 된 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류 분배 부재(30,61)가 단단한 평면의 금속판으로 되어 있고, 그물 모양의 전도성 물질, 스폰지 금속, 전도성 모, 전도성 금속판 및 그들의 조합 물질로부터 선택된 중간층 물질이 상기 전류 분배 부재와 상기 뒷판들에 접촉하여 있는 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 스프링 압축 부재(12)를 가지는 상기 전극 조립체들이 금속 뒷판(10)과 전기 촉매적 피복층을 가진 밸브 금속 전극 기질을 포함하는 양극 조립체들인 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 스프링 압축 부재를 가지는 상기 전극 조립체들이 뒷판(20)과 니켈, 철 금속 또는 그들의 합금으로 만들어진 음극 표면(21)을 포함하는 양극 조립체들인 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 전류 분배 부재(30,61)가 상기 전해조 외부의 전원이나 전해조의 다른 부분으로부터 외부 통로를 통해 전극들로 전류를 전도시키는 필터 프레스 전해조.
- 제 12 항에 있어서, 이 전해조가 적어도 하나의 단극성 전해조를 포함하고, 또한 동일 극성의 인접한 전극 조립체들의 뒷판들 사이에 배치된 전류 분배 부재들외에, 전해조 격벽들과 말단 전해조의 뒷판들 사이의 기계적 접촉 접속부를 제공하는 전류 분배 부재를 포함하는 필터 프레스 전해조.
- 제 12 항에 있어서, 이 전해조가 적어도 2개의 쌍극성 전해조를 포함하고, 상기 전류 분배 부재(61)가 인접한 쌍극성 전해조들의 양극 조립체(35) 및 음극 조립체(36)의 뒷판들 사이에 배치되는 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 이 전해조가 상기 격벽들 사이에 배치되는 단극성 및 쌍극성이 조합된 혼성 전해조들을 포함하는 필터 프레스 전해조.
- 제 1 항에 있어서, 상기 일체의 다기관(100)의 스페이서(101), 밀봉 수단(103), 다기관 밀봉 수단(106) 및 다기관 부분들(107)을 포함하는 필터 프레스 전해조.
- 적어도 하나의 전해조를 포함하는 필터 프레스 전해조에 사용하기 위한 전기 전도성 물질의 양극 조립체(4)에 있어서, 양극액실의 적어도 일부분을 형성하는 뒷판으로서, 주변 밀봉 수단(13)과 출입구를 가진 일체의 다기관(100)을 가진 팬이 일체로 형성되어 있는 뒷판(10)과, 활성 양극 지역(11)과, 상기 양극액실내 상기 뒷판(10)과 상기 활성 양극 지역(11) 사이에서 연장하는 탄성 스프링 압축 부재(12)로 이루어진 것을 특징으로 하는 필터 프레스 전해조용 양극 조립체.
- 제 17 항에 있어서, 상기 뒷판(10)이 금속으로 된 뒷판이고, 상기 활성 양극 지역(11)이 전기촉매 피복층을 가진 밸브 금속 기질을 포함하는, 필터 프레스 전해조용 양극 조립체.
- 제 17 항에 있어서, 상기 팬의 일부분이 그라우팅 물질(50) 또는 충전 물질에 의해 단단하게 되어 있는, 필터 프레스 전해조용 양극 조립체.
- 적어도 하나의 전해조를 포함하는 필터 프레스 전해조에 사용하기 위한 전기 전도성 물질의 음극 조립체(5)에 있어서, 음극액실의 적어도 일부분을 형성하는 뒷판으로서, 주변 밀봉 수단(23)과 출입구를 가진 일체의 다기관(100)을 가진 팬이 일체로 형성되어 있는 뒷판(20)과, 활성 음극 지역(21)과, 상기 음극액실내 상기 뒷판(20)과 상기 활성 음극 지역(21) 사이에서 연장하는 탄성 스프링 압축 부재(12)로 이루어진 것을 특징으로 하는, 필터 프레스 전해조용 음극 조립체.
- 제 50 항에 있어서, 상기 활성 음극 지역(21)이 그물 구조의 니켈, 다공성 니켈 및 다공성 철 금속으로 이루어진 군으로부터 선택된 음극 표면을 포함하는, 필터 프레스 전해조용 음극 조립체.
- 제 50 항에 있어서, 상기 팬의 일부분이 그라우팅 물질(50) 또는 충전 물질에 의해 단단하게 되어 있는, 필터 프레스 전해조용 음극 조립체.
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