KR860000562B1 - 전해조용 전극 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전해조용 전극

제1도는 본 발명의 전극의 단부 입면도.

제2도는 제1도의 전극이 일부 절단된 의사도.

제3도는 본 발명의 전극을 사용한 전해조의 일부가 절단된 분해 의사도.

제4도는 전해조를 분해하지 않고 제3도의 전해조의 일부를 도시한 평면도.

제5도와 제6도는 제3도와 제4도에 도시된 전해조의 일부로 사용되는 개스켓(gasket)이 일부 절단 도시된 입면도.

본 발명은 전해조에 사용할 전극에 관한 것이다.

전해조는 그 전해조를 다수의 양극실과 음극실로 분리하는 격리판에 의해 각 양극이 인접한 음극으로부터 분리되어 있는 다수의 양극과 음극으로 구성된다고 알려져 있다. 이같은 전해조의 양극실은 공동 헤더(header)로부터 적절히 그 전해조로 전해액을 공급하는 장치와, 그 전해조로부터 전해 생성물을 제거하는 장치가 마련되어진다. 유사하게, 전해조의 음극실은 그 전해조로부터 전해 생성물을 제거하는 장치가 마련되어지며, 또 물이나 다른 유체를 그 전해조로 공급하는 장치는 임의로 마련되어 진다.

필터 프레스형(filter press type)전해조는, 비록 그 전해조가 150개의 교대로되는 양극과 음극으로 이루어지는것 같이 훨씬 더 많은 양극과 음극으로 이루어지기도 하지만, 예를들어 50개 같은 많은 교대로 되는 양극과 음극으로 이루어지기도 한다.

전해조는 다이아프램(diaphram)형, 또는 멤브레인(membrane)형으로 된다. 다이아프램형 전해조에 있어서, 인접한 양극들과 음극들 사이에 위치되는 격리판들은 미소다공성(microporous)이고, 사용중에 전해액은 그 전해조의 양극실로부터 음극실로 그 다이아프램을 통하여 통과한다. 멤브레인형 전해조에 있어서는, 격리판들의 본질적으로 불투수성이며, 사용중에 이온화된 원들이 그 전해조의 양극실, 과 음극실들 사이의 멤브레인을 거쳐서 운반된다.

전술한 형태의 전해조들은 알칼리 금속 염화물 수용액의 전해에 사용된다. 이같은 용액이 다이아프램형 전해조에서 전기분해될 경우, 그 용액은 전해조의 양극실로 공급되고, 전해에서 생성된 염소는 그 전해조의 양극실로부터 제거되며, 알칼리 금속 염화물용액은 다이아프램을 통과하고 전해에 의해 생성된 수소와 알칼리 금속 수산화물은 음극실로부터 제거되는데, 그 알칼리 금속 수산화물은 알칼리 금속 염화물과 알칼리 금속 수산화물의 수용액의 형태로 제거된다. 알칼리 금속 염화물 수용액이 멤브레인형 전해조에서 전기분해될 경우, 그 용액은 전해조의 양극실로 공급되고 전해에서 생성된 염소와 고갈된 알칼리 금속 염화물 용액은 양극실로부터 제거되며, 알칼리 금속 이온들은 멤브레인을 건너서 물이나 묽은 알칼리 금속 수산화물 용액이 공급되는 전해조의 음극실로 운반되고, 물과 알칼리금속 이온들의 반응에 의해 생성된 수소와 알칼리금속수산화물 용액은 전해조의 음극실로 부터 제거된다.

설명된 형태의 전해조는 특히 염화나트륨의 전기분해에 의한 염소와 수산화 나트륨의 생산에 사용된다.

지금까지 설명된 바와같은 전해조, 특히 필터 프레스형 전해조는 전극들, 즉 양극들과 혹은 음극들로 구성되는데, 이들은 지지부와 그 지지부상에 있는 다수의 곳바로선 기다란 부분들로 이루어지며, 이들 곳바로선 기다란 부분들은 일반적으로 수직으로 배치되고 서로 평행하다. 예를들면, 전극은 금속판에 실제적으로 평행한 다수의 슬릿(slits)을 형성하고 금속편들을 그판의 평면에서 접어내어 다수의 곳바로선 평행한 기다란 부분, 즉 소위 미늘(louvres)을 형성하므로써 만들어져도 되는 소위 미늘모양으로된 전극으로 되기도 한다. 그 미늘들은 그 금속판의 평명에 직각으로 배치되거나 혹은 그 금속판의 평면에 대해 90°보다 작은 각도, 예를들면 대략60°로 배치되기도 한다. 미늘모양으로된 전극을 포함하고 있는 전해조는, 예를들어 벨기에 특허 번호 제864,363호 및 제864,364호에 설명되어 있다.

전해조, 예를들어 필터 프레스형 전해조 같은 전해조는 전해조내의 전기 저항을, 그리하여 전해조가 작동되는 전압을 가능하면 낮게 하기 위하여, 가능한 한 양극과 음극의 갭(gap)을 작게하여 작동되는 것이 바람직하다. 양극과 음극의 갭을 작게 만들기위해 격리판은 양극과 음극에 근접하게 위치되며, 그에 인접한 양극과 음극에 접촉되어도 되고, 이 경우 양극과 음극의 갭은 실제로 격리판의 두께와 같다.

격리판을 양극과 음극이 격리판에 접촉되게 위치시키는 것은 또한 양그과 음극이 격리판을 지지한다는 장점이 있다. 그런, 전극이 곳바로선 기다란 부분, 특히 곳바로선 미늘들을 다수포함하는 필터 프레스형 전해조의 경우에는 그와 관련된 단점이 있다. 따라서, 전극이 다수의 곳바로선 기다란 부분을 포함하고, 특히 격리판이 곳바로선 부분들과 접촉될 경우 전극의 격실들내에서 액체의 순환은 형편없게 될것이며, 특히 전해조를 가로지르는 액체의 순환이 곳바로선 부분들에 의해 방해되어진다. 이 나쁜 순환은 전해조에 액체를 공급하는장치와 전해조로부터 전해생성물을 제거하는 장치가 전해조의 측면에 놓일 경우 특히 명백하다 전해조의 격실내에서 액체 순환이 나쁘면 전해조내의 액체로부터 기체 전해 생성물이 잘 유리되지 않고 액체내의 농도의 변화가 낮게되어 그렇치 않을 경우 예상되는것 보다 주어진 전류밀도에서 더 높은 전압으로 작동된다.

본 발명은 필터 프레스형 전해조에 사용하기에 특별히 적합하고, 전해조의 격실내에서 액체 순환이 크게 개선된 전극을 제공한다.

본 발명은 필터 프레스형 전해조에 사용하기에 적합한 전극을 제공하는 것으로, 그 전극은 거의 평평한 지지부와, 그 지지부의 적어도 한면에 있고 서로 평행하며 그 단부들이 지지부에 부착되는 다수의 기다란 부분들을 포함하고, 기다란 부분들의 대부분은 지지부의 평면에 평행하며 그로부터 이격된 평면에 놓이며, 그 기다란 부분들의 전면은 지지부의 평면에 거의 평행하게 놓인다.

기다란 부분들은 스트립(strips)의 형태로 되어도 되고 또 그렇게되는 것이 바람직하며, 본 발명의 또 하나의 실시예에서는, 거의 평평한 지지부와 그 지지부의 적어도 한면에 거의 서로 평행하고 그 단부들이 지지부에 부착되는 다수의 스트립이 포함되며, 그 스트립의 대부분이 지지부의 평면으로부터 이격되어 있고 또 그에 평행한 평면에 놓이며 스트립의 전면이 지지부의 평면에 거의 평행한 평면에 놓이는 전극이 제공된다.

그 전극은 약극과 혹은 음극으로 사용되어도되며, 본 발명은 또한 격리판이 인접한 양극과 음극사이에 위치되는 양극과 음극들, 그리고 여기에 설명된 전극들을 포함하는 양극이나 음극, 혹은 둘다를 포함하고 있는 전해조를 제공한다.

달리 언급이 없으면, 지금부터 본 발명은 기다란 부분들이 스트립의 형태로된 전극으로 설명되어진다.

전극들은, 특히 전극의 지지부는 유연한것이 바람직하며 탄성이 있는것이 좋은데, 그 이유는 전극들이 전해조로 조립될때, 특히 필터 프레스형 전해조로 조립될때 유연성이 액체에 밀폐되게 만드는데 도움이되기 때문이다.

전해조내에서 격리판이 전극상의 스트립들의 면과 접촉되는 경우 전해조내의, 특히 전해조를 가로지르는 액체의 순환은 스트립들이 지지부의 평면으로 부터 이격되어 있고 따라서 지지부와 스트립들 사이에 액체가 순환하는 채널(channel)이 전해조를 가로질러 마련되기 때문에 스트립들에 의해 억제되지 않는다.

전극에서 스트립들은 특히 전극이 전해조의 단자 전극으로 사용되는 경우 지지부의 한면에만 위치되어도 된다. 혹은, 전극이 전해조의, 특히 필터 프레스형 전해조의, 내부 전극으로 사용될 경우에는 지지부의 양면에 위치되어도 된다.

전극이 전해조에 설치될때 일반적으로 전극은 스트립, 의 거의 수직으로 되도록 위치되어진다. 하지만, 스트립들을 수직으로 위치시키는 것이 필수적인 것은 아니며, 필요하면, 서로 평행하게되는 스트립들이 수직에 대해 경사진 각도로 되어도 된다. 양극으로 사용되는 전극상의 스트립들은 음극으로 사용되는 전극상의 스트립들이 경사지는 방향에 반대로되는 방향으로 수직에 대해 어떤 각도로 경사진다.

전극이 지지부의 양면에 배치되는 스트립들을 포함하는 경우 한면에 있는 스트립들은 지지부의 다른면에 있는 스트립에 반대로 배치된다. 혹은, 스립트들이 지지부의 한면의 스트립이 지지부의 다른면에 있는 인접한 2개의 스트립 사이의 간격에 반대로 배치된다.

스트립들이 지지부에 대해 그 위치를 확실히 유지하여서 전해조내에서 스트립들과 접촉되는 격리판을 지지하기위해, 스트립들은 양단부가 지지부에 부착된다.

지지부는 형상이 직사각형으로 되어도되고, 혹은 예를들어 정사각형이나 장방형으로 되어도 된다. 지지부는 거의 평평한 판으로 되고 스트립들 각각의 단부가 그판의 반대편 모서리 근처에서 판에 부착된다.

지지부는 직사각형의 형상, 예를들어 정사각형 또는 장방형으로되는 거의 평평한 프레임으로 되기도한다. 스트립들 각각의 일단부는 그 프레임의 한 모서리 부근에 부착되고 각 스트립의 하단부는 그 프레임의 반대편 모서리 부근에 부착되다. 지지부가 프레임의 형태로되는 이 실시예는 전극이 설치되는 전해조의 격실내에서 액체의 순환이 이 특수한 형태의 전극의 사용에의해 더욱 보조될 수 있으므로 바람직한 실시예이다.

본 발명의 전극은 미늘 모양의 형태의 전극보다 더 장점이있다. 미늘형 전극에서 미늘들의 모서리는 전해조내에서 격리판과 접촉될 수도 있고 가끔 매끄럽지 않으며 제조방식 때문에 격리판에, 그리고 격리판에 있는 구멍을 형성하는데 까지도, 손상을 주는 날카로운 모서리를 가지기도 한다. 반면에, 본 발명의 전극은 예를들어 스트립등의 기다란 부분의 전면이 지지부의 평면에 거의 평행한 평면에 놓이면, 전해조내에서 격리판과 접촉되는 것은 기다란 부분, 예를들어 스트립의 전면이지 그 모서리가 아니다. 전면들이 격리판과 접촉되기 때문에 기다란 부분이 격리판을 손상시킬 확율은 한층 감소되는 것이다.

기다란 부분들의 전면이 평평하지만, 격리판을 손상시킬 위험을 한층 더 줄이기위해 기다란 부분의 횡면도 약간 구부러지는 것이좋다. 이와같이되어, 기다란 부분이 스트립들도 되는 경우 스트립의 횡면은 지지부부로부터 향해지는 측면은 전해조내에서 스트립의 볼록면이 격리판과 접촉되고 또 대면되도록 약간 볼록하게 되는 것이 좋다.

본 발명의 전극에 있어서 각 스트립의 대부분은 지지부의 평면으로 부터 격리되어 있고 또 그에 거의 평행한 평면에 놓인다. 각 스트립의 가능한한 대부분이 지지부의 평면에 거의 평행한 평면에 놓이는 것이 바람직하지만, 스트립들이 그 단부가 지지부에 부착되는것이 명백하므로 스트립의 전체 길이가 이와같은 평면에 놓일수는 없는것이다. 스트립 길이의 적어도 50%가, 또한 될 수 있으면 스트립 길이의 적어도 80%가 지지부로 부터 이격되어있고 또 그에 평행한 평면에 놓이는것이 좋으면, 스트립 길이의 95%까지가 이같은 평면에 놓이기도 한다.

전극은 정교하게 만든 통전 장치없이 전해조에 설치될때 전극의 전압 강하를 줄이는 전극 단락 전류 통로를 만들기위해 전류의 방향으로 15에서 60cm의 범위내로 되는 칫수를 가지는 것이 좋다.

스트립들의 평면이 지지부의 평면으로부터 이격되어 있는 거리는 전해조내에서 액체가 순환하는 지지부분의 평면과 스트립들의 평면사이의 채널의 칫수를 결정한다. 이 거리는 그중에서도 전극에 필요되는 전체 칫수, 특히 전극에 필요한 너비에 좌우되고 전해조에 바람직한 전체 칫수에 좌우되지만 그러나 그것은 보통 적어도 1mm이어야 하고 적어도 2mm가 좋다. 10mm나 그이상, 예를 들어 20mm에 이를수도 있다. 스트립들의 평면이 지지부의 평면으로부터 이격되는 거리가 작을경우 전해에서 생성되는 개스의 방출은 충분히 신속하지 못하며 전해전압에 나쁜 영향을 줄 수도있다. 전기분해를 고전류효율에서 하는것 역시 바람직한것이며 전술한 거리는 전류 효율과 전압을 최적으로 하도록 설정되는 것이 바람직하다.

본 발명의 전극들이 양극과 음극으로서 전해조로 조립될 경우 스트립의 평면이 지지부의 평면으로부터 이격되는 거리는 음극에서나 양극에서나 동일하게 될 수도 있고, 혹은 양근에서 이거리나 음근에서의 대응하는 거리와 다를 수도 있다.

스트립들의 전면은 전면의 타당한 실제 너비가 전극이 전해조내에 설치될때 격리판에 마주 대하도록 적어도 1mm로 되며, 바람직하게는 적어도 2mm로 되는 것이 좋다. 일반적으로 스트립들의 너비는 10mm보다 큰 스트립의 사용이 가능할지라도 10mm보다 크지 않게 된다.

전극의 전면에 있는 인접한 스트립들 사이의 거리는 적어도 1mm로 되는 것이 바람직 하며 될수록 적어도 2mm로 되는 것이 좋다. 일반적으로 이거리는 필요하다면 더 클수도 있지만 10mm보다 크지 않을것이다.

전극의 전면에 있는 스트립들은 서로 분리되어 있고 인접한 스트립들 사이의 갭은 다이아프램이나 멤브레인이 전해조내에서 사용될때 팽창되면 다이아프램 또는 멤브레인이 수용될 공간을 제공한다. 음이온 교환 멤브레인은 특히 팽창하기 쉬우며 본 발명은 전극은 그 팽창을 조절된 방식으로 수용하는 장치를 제공한다.

본 발명의 전극은 보통 금속이나 합금으로 만들어지고 사용주에 양극이나 음극으로 작용한다. 금속의 특성이, 그 전극이 양극으로 혹은 음극으로 사용될것인가에 달려 있으며 전해조내에서 전해될 전해액의 성질에 달려있다.

알칼리 금속 염화물의 수용액이 전해되고 전극이 양극으로 사용될 경우 전극은 필름 형성 금속이나 그 합금, 예를들면 지르코늄, 니오뮴, 텅스맨 혹은 탄탈륨으로 적절히 만들어지지만 티타늄으로 만들어지는 것이 좋고, 양극의 표면은 전기 전도성 전기 접촉활성 재료로 코우팅된다. 이 코우팅은 하나 또는 여러 백금족금속, 즉 백금, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴 혹은 팔라듐과 혹은 이들 금속중 하나 또는 여럿의 산화물로 이루어진다. 백금족 금속이나 그 산화물의 콩우팅은 비귀금속중의 하나, 특히 티타늄 이산화물 같은 필름형성 금속 산화물중의 하나 또는 여럿과 혼합물로 존재한다. 알칼리 금속 염화물 수용액의 전기분해를 위한 전해조내에서 양극 코우팅으로 사용하는 전기 전도성 전기 접촉 활성 재료와 이러한 코우팅을 부착하는 방법은 이 기술 분야에 공지되어있다. 그 코우팅은 적어도 양극에 있는 스트립들에, 특히 스트립들의 전면에 적절히 부착된다. 코우팅은 스트립들의 반대측에, 즉 지지부를 향하는 측면에, 그리고 스트립들의 모서리에도 부착된다.

알칼리 금속 염화물 수용액이 전기분해되고 전극이 음근으로 사용될 경우 그 전극은 철이나 강철, 혹은 예를들어 니켈 같은 다른 적절한 금속으로 적절히 만들어진다. 음극, 특히 음극의 스트립들은 전해의 수소과전압을 감소하도록 의도되는 재료로서 코우팅된다.

본 발명의 전극은 양극성 전극이다. 따라서, 전극은 제1금속판과 제2금속판이 전기가 통하도록 전극에 연결되게 구성되어지며, 적어도 두 금속판중의 하나가, 될 수 있으면 두 금속판 모두에 지금까지 설명된 바와 같은 스트립들 같은 다수의 기다란부분이 부착된다. 예를들어, 알칼리 금속 염화물 수용액이 전기분해되는 전해조내에서 전극이 사용되는 경우, 제1금속판과 그에 부착되는 스트립들은 필름 형성 금속이나 합금으로 만들어지고 양극으로서의 기능을하며, 제2금속판과 그에 부착되는 스트립들은 철이나 강철 혹은 다른 적절한 금속, 예를들면 니켈로 만들어지고 음극으로서의 기능을한다.

본 발명의 전극을 수정한것에서는 소공성 금속판 재료가 전극의 기다란 부분들의 한쪽이나 혹은 양쪽에 부착된다. 소공성 판 재료는 기다란 부분들에 용접을 하거나 하여 기다란 부분들과 전기적으로 접촉되며, 예를들어 직조된 판이거나, 다공성판이거나 혹은 익스팬디드 메탈(expanded metal)의 판으로 된다.

본 발명의 전극은 기다란 부분들을, 예를들어 스트립들을, 지지부에 용접 또는 납땜을 하여 부착시키거나 혹은 스트립들과 지지부사이를 전기적으로 도통되게 연결시키는 어떠한 기술에 의해서라도 만들어진다. 전극을 제조하는 좋은 방법은 그 작업의 간결성 때문에 평평한 지지부에 적절한 슬릿팅 공구(slitting tool)를 사용하여 다수의 거의 평행한 슬릿들을 만들고 지지부에 슬릿들에의해 형성된 대부분의 스트립들을 지지부의 평면으로 부터 이격되고 그에 거의 평행한 평면으로 변위시키는 것이다. 슬릿들은 지지부의 한 모서리부근 위치로 부터 지지부의 맞은편 모서리 부근의 위치까지 지지부를 가로지르며, 스트립들의 대부분을 지지부의 평면으로 부터 이격된 평면으로 변위시키는 행위는 스트립들이 지지부로 부터 떨어지게 되는 결과를 가져와서는 물론 안된다. 지지부의 양측에 스트립들이 부착되게 되는 경우 지지부에 슬릿들에 의해 형성된 스트립들의 얼마는 지지부의 한쪽으로 변위되고 또 스트립들의 얼마는 지지부의 다른쪽으로 변위된다. 예를들어, 지지부에 슬릿들에 의해 형성된 스트립들이 지지부의 한쪽으로, 그리고 그 다음에는 지지부의 다른쪽으로 교대로 변위될 경우, 적극의 한쪽에 있는 스트립은 지지부의 다른쪽에 있는 2개의 인접한 스트립들사이의 공간에 위치되어질 것이다.

본 발명의 전극이 설치되는 전해조는 다이아프램형 또는 멤브레인형이다. 다이아프램형 전해조에서 인접한 양극들과 음극들사이에 배치되어 분리된 양극실과 음극실을 형성하는 격리판들은 미소 다공성이며 사용중에 전해액은 다이아프램을 통하여 양극실로부터 음극실로 통과한다. 이와같이되어, 알칼리 금속 염화물의 수용액이 전기분해되는 경우 생성되는 전해조 액체는 알칼리금속 염화물과 알칼리 금속 수산화물의 수용액으로 구성된다. 멤브레인형 전해조에서 격리판들은 본질적으로 불투수성이며 사용중에 이온 원소들이 멤브레인을 거쳐 전해조의 격실들사이로 운반된다. 따라서, 멤브레인이 음이온 교환 멤브레인일 경우 음이온들은 멤브레인을 거쳐서 운반되고, 알칼리 금속 염화물의 수용액이 전기분해되는 경우 전해조 액체는 알칼리 금속 수산화물의 수용액으로 이루어진다.

전해조내에서 사용되는 격리판이 미소 다공성 다이아프램인 경우 다이아프램의 성질은 전해조에서 전기분해되는 전해액의 성질에 따라 결정된다. 다이아프램은 전해액과 전해 생성물에 의해 열화되는 것이 방지되어야하며, 알칼리 금속 염화물의 수용액이 전기분해될 다이아프램은 불소함유 폴리머재료로 적절히 만들어지는데, 그 이유는 이같은 재료가 일반적으로 전해에서 생성되는 염소와 알칼리 금속 수산화물에 의해 열화되는 것이 방지되기 때문이다. 이소 다공성 다이아프램은 비록 사용되는 다른재료에, 예를들어 테트라폴로로에틸렌-헥사플로로프로필렌 코폴리머, 비닐리덴 플로라이드폴리머와 코폴리머 및 플로리네이티드에틸렌-프로필렌 코폴리머등도 포함되지만 될수록 폴리레트라플로로-에틸렌으로 만들어지는것이 좋다.

적절한 미소 다공성 다이아프램으로는, 예를들어 가는 섬유로 상호연결된 마디들의 미소 구조를 갖는 폴리테트라플로로에틸렌의 미소 다공성 다이아프렘이 설명되는 영국특허 제150,319호에 설명되어 있는 것고, 폴리테트라플로로 에틸렌의 박판으로부터 입자성 필터를 추출하므로써 만들어지는 미소 다공성 다이아프램이 설명되는 영국특허 제1,081,046호에 설명되어 있는 것이 있다. 다른 적절한 미소 다공성 다이아프램들은 본 기술에서 설명된다.

전해조에서 사용되는 격리판이 음이온 교환 브렘레인일 경우 멤브레인의 성질도 역시 전해조내에서 전해될 전해액의 성질에 따라 결정된다. 멤브레인은 전해액과 전해 생성물에 의해 열화되는 것이 방지되어야하며, 알칼리 금속 염화물의 수용액이 전기분해될 경우, 멤브렘인은 음이온 교환 그룹, 예를들어 황산, 카르복실산 혹인 인산그룹이나, 그들의 유도체, 혹은 이같은 그룹의 2개 또는 그 이상의 혼합물을 함유하는 불소함유 폴리머 재료로 적절히 만들어진다. 적절한 음이온 교환 멤브레인으로는, 예를들어 영국특허 제1,184,321호, 1,402,920호, 1,406,673호, 1,455,070호, 1,497,748호, 1,497,749호, 1,518,387호 및 1,531,068호에 설명되어 있는 것들이 있다.

본 발명의 전극이 설치되는 전해조에서 전해조의 각개의 양극실에는 공동 헤더로 부터 그 양극실로 전해액을 적절히 공급한 장치와, 그 양극실로 부터 전해 생성물을 제거하는 장치가 마련된다. 유사하게, 전해조의 각개의 음극실에는 그 음극실로부터 전해 생성물을 제거하는 장치와, 또 임의로 공동헤더로부터 그 음극실로 물이나 다른 유체를 적절히 공급하는 장치가 마련된다.

예를들어, 전해조가 알칼리 금속 염화물 수용액의 전해에 사용될 경우 전해조의 양극실은 알칼리 금속 염화물 수용액을 양극실로 공급하는 장치와 염소를 제거하는 장치와 또 고갈된 알칼리 금속 염화물 수용액을 제거하는 장치가 임의로 마련될 것이며, 전해조의 음극실은 수소와 알칼리 금속 수산화물을 함유하는 전해조 액체를 음극실로부터 제거하는 장치와, 만일 필요하면 음극실로 물이나 묽은 알칼리 금속 수산화물 용액을 공급하는 장치가 임의로 마련된다.

비록 전해액을 공급하고 전해 생성물을 제거하는 장치들이 전해조의 각 양극실과 음극실로 가거나 혹은 각 양극실과 음극실로부터 나오는 별도의 파이프가 마련도어도 되지만, 이와같은 장치는, 특히 이러한 격실들을 많은 수 포함하고 있는 필터 프레스형 전해조에 있어서는 불필요하게 복잡하고 성가신 것이다. 양호한 형태의 전해조는 활성 금속 양극 부분을 가진 양극형태의 본 발명의 전극과, 활성 금속 음극 부분을 가진 음극형태의 본 발명의 전극과, 전기 절연 재료에 임의로 부착되는 격리판들고, 또 임의로 양극과 인접한 격리판 사이에 그리고 음극과 인접한 격리판 사이에 전기 절연 재료로된 스페이서(spacers)혹은 개스켓으로 구성되며, 양극들, 음극들, 판들 및 스페이서 혹은 개스켓이 만일 있다면, 전해조내에서 전해조의 길이 방향으로 분리된 격리들을 형성하고 전해액이 전해조로, 즉 전해조의 양극실로 공급되며 전해 생성물을 전해조로부터, 즉 전해조의 음극실로부터 제거하는 다수의 개구를 가진다. 전해조의 길이 방향의 격실들은 저해조내에 있는, 즉 전극의 전면에 있는 채널을 경유하여, 혹은 판이나 스페이서 혹은 개스켓, 즉 스페이서 혹은 개스켓의 전면에 있는 채널에 의하여 전해조의 양극실들 및 음극실들과 소통된다.

전해조가 투수성 다이아프램을 포함할 경우, 전해조의 길이방향으로 2개 혹은 3개의 격실을 형성하는 2혹은 3개의 개구가 있으며. 이 격실들로부터 전해액은 전해조의 양극실로 공급되고, 이 격실들을 통하여 전해 생성물은 전해조의 양극실 및 음극실로 부터 제거된다.

전해조가 음이온 선택투과성 멤브레인을 포함할 경우 전해조의 길이방향으로 4개의 격실을 형성하는 4개의 개구가 있으며, 이 격실로부터 전해액과 물이나 다른 유체가 제각기 전해조의 양극실과 음극실로 공급되고, 이 격실을 통하여 전해 생성물은 전해조의 양극실과 음극실로 부터 제거되어진다.

전해조내에서 전해조의 양극실과 통하는 전해조 길이 방향의 격실들은 전해조의 음극실과 통하는 전해조 길이 방향의 격실들로부터 전기적으로 절연되어져야한다.

전기적 절연은 다양한 방법으로 이루어진다. 예를들어, 전해조의 양그들과 음극들은 각각 전해조내에서 전해조의 길이 방향으로 격실의 일부를 이루는 개구들이 프레임 부분의 개구들에의해 형성되는 전기 절연 재료의 프레임 부분에 배치되고 또 그 프레임부분에 의해 지지된다.

필요하면, 스페이서 혹은 개스켓과 양극이나 음극의 지지부의 기능의 기능은 적절한 형상의 1개의 프레임 부분에 의해 제공되기도 한다.

혹은, 전해조의 양극과 음극들이 일부는 전기 절연 재료로 그리고 일부는 금속으로 만들어져도된다. 전해조내에서 전해조의 길이 방향으로되는 격실의 일부를 형성하는 전극내의 개구는 양극이나 음극의 금속부분에 형성되고 그 길이 방향 격실의 필요한 전기 절연을 얻기 위해 전기 절연 재료로 만들어지는 양극이나 음극의 일부에 형성된다.

스페이서 혹은 개스켓은 전기 절연 재료로 만들어져야한다. 그 전기 절연 재료는 전해조 액체에 대해 저항력이 있는 것이 바람직하며 적절한 것으로는 불소 함유 폴리머재료, 예를들면 폴리테트라플로로에틸렌, 폴리비닐리덴 플로라이드 혹은 폴로리네이티드에틸렌-프로필렌 코폴리머 등이 있다. 또하나의 적절한 재료는 EPDM고무가 있다.

본 발명은 알칼리 금속 할로겐 화합물 용액의 전해를 위한 전해조에 사용하기에 적합한 전극에 관하여 설명되었다. 하지만, 이전극이 다른 용액이 전해되는 전해조나, 혹은 다른 형태의 전해조, 예를들어 연료 전해조에 사용되어도 된다는 것을 이해해야 할 것이다.

본 발명은 지금부터 첨부도면을 참조로하여 설명된다.

제1도와 2도를 보년, 전극은 중앙의 공간(2)를 둘러싸고 있는 프레임의 형태로 평평한 지지부(1)을 포함하며 그 프레임의 측면에는 그 프레임의 맞은편 모서리 부근에 다수의 개구(3,4,5,6)이 쌍(3,4)와 (5,6)으로 배치된다. 이들 개구들은 전극이 전해조로 조립될때 전해조의 길이 방향으로 격실들을 형성하여서, 차후에 더 구체적으로 설명되겠지만, 이 격실들을 통하여 전해조로 전해액과 다른 유체, 예를들어 물이 충진되고, 또한 이 격실들을 통하여 전해조로부터 전해 생성물이 제거된다. 지지부(1)은 개구(3)을 개구(4)로부터 전기 절연하기위해 지지부(1)의 부분(7)이 전기 절연 재료로, 예를들어 폴리테트라 플로로에틸렌으로 만들어 지는것과 개구(5)를 개구(6)으로부터 전기 절연하기 위해 지지부(1)의 부분(8)이 전기재료로, 예를들어 폴리테트라플로로에틸렌으로 만들어 지는 것을 제외하고는 대부분이 금속으로 만들어진다.

중앙 개구(2)는 프레임의 한쪽에 다수의 스트립(9)에 의해 다리가 놓여지고 다른쪽에 다수의 스트립(10)에 의해 다리가 놓여진다. 지지부(1)의 각축에 있는 스트립들은 수직으로 배치되고, 고르게 간격지어지며, 서로 평행한다. 이 스트립들은 엇갈려져 있어서 지지부(1)의 한쪽에 있는 스트립들(10)이 지지부(1)의 다른쪽에 있는 2개의 인접한 스트립들(9)사이의 공간의 반대편에 위치된다. 스트립들(9)의 전면은 지지부(1)의 평면에 평행하고 또 그 평면으로부터 측면으로 변위되어 있으며, 유사하게 스트립들(10)의 저니면은 지지부(1)의 평면에 평행하고 또 그 평면으로부터 측면으로 변위되어있다.

스트립들은 그 단부에서 여하한 적절한 방법으로, 예를들어 용접이나 납땜에 의하여 지지부(1)의 프레임이 부착된다. 혹은, 스트립들은 평평한 지지부(1)에 거의 평행한 다수의 슬릿들을 만들고 그 스트립들 각각의 대부분을 먼저 지지부의 한쪽으로 그 다음에는 다른 쪽으로 교대로 변위시켜서 형성되어도 된다.

전극으 금속 부분을 위해 금속의 선택은 전극의 사용목적, 즉 전극이 양극으로 사용될것인가 혹은 음극으로 사용될것인가에 따라 결정된다. 전극이 예를들어 알칼리 금속 염화물 수용액의 전해를위한 전해조에서 양극으로 사용될 경우, 전극의 금속 부분은 티타늄으로 적절히 만들어진다. 전극이 알칼리 금속 할로겐화화합물 수용액의 전해를 위한 전해조에서 음극으로 사용될경우, 전극의 금속 부분은 철로, 예를들어 연철로 적절히 만들어진다.

제3도와 제4도를 보면, 도시된 전해조부분에는 제1도와 제2도를 참조하여 설명된 양극(11)과 음극(12)가 포함된다. 음극(12)는 그 음극의 한쪽에 수직으로 배치된 스트립들(13)과 그 음극의 반대쪽에 수직으로 배치된 스트립들(14)가 양극(11)의 중앙 공간(2)와 같은 크기의 음극의 중앙 공간에 다리를 놓게 구성된다는 점에 있어서 유사하게 만들어진다. 음극도 또한 음극, 맞은편 모서리 부근에 상으로 배치되며 양극(11)에 있는 개구들(3,4,5,6)과 같은 크기로되고 위치가 일치하는 4개의 개구들(15,16,2개는 도시되지 않음)을 포함한다. 음극(12)는 부분(17)과, 도시되지 않은 부분(17)에 대각선으로 반대편에 있는 음극내에 부분이 전기 절연재료, 예를들어 폴리테트라플로에틸렌으로 만들어 진다는 점이 양극(11)과 다르다.

전해조는 또한 전기 절연 재료, 예를들어 EPDM고무로 만들어지는 개스켓(18,19)와 개스켓(18,19)사이에 위치되는 음이온 교환 멤브레인(20)을 포함한다. 멤브레인(20)은 양극(11)에 있는 개구들(3,4,5,6)과 위치가 일치하며 동일 크기로된 4개의 개구(21,21, 2개는 도시되지 않음)를 가진다.

제5도를 보면, 개스켓(18)은 양극(2)에 있는 개구들(3,4,5,6)과 중앙 공간(2)와 제각기 크기가 같고 위치가 일치하는 4개의 개구들(23,24,25,26)과 중앙공간(27)을 포함한다. 개스켓(18)은 또한 개구(26)과 중앙 공간(26)을 통하게 하는 채널(28), 개스켓의 벽에 가지며, 또 중앙공간(27)과 개구(23)을 통하게 하는 채널(29)를 개스켓의 벽에 가진다.

제6도를 보면, 개스켓(19)는 양극(11)의 개구들(3,4,5,6)과 중앙공간(2)와 제각기 크기가 같고 위치가 일치하는 4개의 개구들(30,31,32,33)과 중앙공간(34)을 포함한다. 개스켓(19)는 또한 개스켓의 중앙공간(34)와 개구(32)를 통하게하는 채널(35)를, 그리고 개스켓의 벽에 개구(31)과 중앙공간(34)를 통하게하는 채널(36)을 가진다.

전해조를 조립하기 위하여, 제3도와 제4도에 도시된 바와같은 다수의 양극들, 음극들, 멤브렌인들 및 개스켓들이 적절한 앤드 플레이트(end plate)들로 함깨 조립되며, 전해조로부터 액체의 누설을 방지하기위해 예를들어 함께 보울링 하는 등에 의해 함께 단단히 조여지고, 양극들과 음극들은 적절한 도체, 예를들면 동과 같은 것으로 재각기 양극과 음극 버스-바아(bus-bars)에 별도로 연결된다. 조립된 전해조에서, 양극들과 음극들은 개스켓-멤브레인-개스켓 조립체가 각 인접한 양극과 음극사이에 위치되게 교대로 배치된다.

양극(11)내의 개구들(3,4,5,6)에 의하여, 그리고 음극(12), 개스켓(18,19) 및 음이온 교환 멤브레인들(20)내의 대응하는 개구들에 의하여 형성되는 전해조 길이 방향의 채널들은 전해액과 다른 유체를 전해조에 충진시키는 장치(도시되지 않음)와 전해조로부터 전해생성물을 제거하는 장치에 연결된다. 예를들어, 염화나트륨의 수용액이 전해될 경우, 양극(11)의 개구(6)과 (4)가 일부를 형성하는 전해조 길이 방향의 채널들은 전해조로 염화나트륨 용액과 물을 공급하는 장치들에 제각기 연결되고 개구(5)와 (3)이 일부를 형성하는 전해조 길이 방향의 채널들은 전해조로부터 제각기 나트륨 수산화물 수용액 및 수소를 제거하는 장치와 고갈된 염화나트륨용액 및 염소를 제거하는 장치에 연결된다.

전해조의 작동을 염화 나트륨의 수용개의 전기분해와 관련시켜 설명한다. 작동에 있어서, 염화 나트륨 수용액은 양극(11)의 개구(6)이 일부를 형성하는 전해조 길이 방향으로되는 채널로 충진되고 그 용액은 개스켓(18)내의 채널(28)을 통과하여 전해조의 양극실로 들어간다(양극실은 양극의 양쪽에 위치되는 인접한 멤브레인들 사이의 공간에의해 형성된다). 고갈된 염화 나트륨 용액과 전해에서 생성된 염소는 약극실로부터 개스켓(18)내의 채널(29)를 통하여 양극(11)내의 개구(3)이 일부를 형성하는 전에조 길이방향의 채널로 들어가서 전해조 밖으로 나온다.

물은 양극(11)내의 개구(4)가 일부를 형성하는 전해조 길이방향의 채널로 충진되어 개스극(19)내의 채널(36)을 통하여 전해조의 음극실로 들어간다(음극실은 음극의 양쪽에 위치되는 인접한 멤브레인들 사이의 공간에 의하여 형성된다). 음극실에서, 양극실로부터 음이온 교환 멤브레인(20)을 건너서 운반된 나트륨 이온은 물의 전해에서 형성된 수산 이온과 반응하고, 형성된 수산화 나트륨 용액과 수소는 음극실로부터 개스켓(19)내의 채널(35)를 통하여 양극(11)내의 개구(5)가 일부를 형성하는 전해조 길이 방향의 채널로 들어가서 전해조를 나온다.

지금부터 본 발명을 다음의 예에 의해 설명한다.

[예 1]

전해조는 설명되었듯이 다수의 교대로 되는 양극들과 음극으로 구성되게 조립된다. 각 양극은 티타늄으로 만들어지고 양극의 스트립들은 길이가 22.5cm, 폭이 0.5cm이며, 인접한 스트립들 사이의 갭이 0.5cm이고 양극의 반대편면에 있는 스트립들은 갭이 0.8cm로 간격져있다. RuO₂와 TiO₂혼합물의 전기 전도성 전기 접촉 활성 코우팅으로 피복된다(RuO₂와 TiO₂의 중량비는 35 : 65로 된다)각 음극은 연철로 만들어지며 음극의 전면에 있는 스트립들의 크기와 스트립들 사이의 갭의 크기는 양극에서와 같다. 각 양극과 음극사이에는 카르복실산그룹을 함유하는 테트라플로로에틸렌과 페르플로로 비닐 에테르의 코폴리머로 만들어진 음이온 교환 멤브레인이 배치된다. 그 멤브레인의 이온교환 용량은 그람당 밀리 당량으로 된다.

염화 나트륨 수용액은 농도 305g/l, pH 9.0의 염화 나트륨이 전해조의 양극실로 충진되고 물이 전해조의 음극실에 충진되어 전해로에서 전해되었으며, 200g/l농도의 염화나트륨 용액과 염소가 전해조의 양극실에서 제거되고 수산화 나트륨 용액과 수소가 전해조의 음극실로부터 제거되었다.

전기분해는 3KAm^-2의 전류밀도와 3.5볼트의 전압에서 시행되었다.

수산화 나트륨 수용액은 94%의 전류 효율에서 중량으로 35%의 농도로 생성되었다.

[예 2]

사용된 음극이 스테인리스 강철로 만들어지고, 전기분해가 3KAm^-2의 전류 밀도에서 시행된것 이외에는 에 1의 공정이 반복되었다.

16일간 작동후에 전압은 3.64볼트였고, 전류 효율은 93%였으며, 생성된 수산화 나트륨 수용액은 중량으로 34.7%의 농도로 되었으며 백만당 8파트(8parts per million)의 염소 이온을 함유하고 있었다.

[예 3]

사용된 음극이 스테인리스 강철로 만들어졌고, 사용된 멤브레인이 메브레인의 양극 대면측에 황산 그룹을 그리고 음극 대면측에 카르복실산 그룹을 함유하는 페르플로리네이티드 폴리머 멤브레인이었으며, 전기 분해가 3KAm^-2의 전류밀도에서 시행된것 이외에는 예 1의 공정이 반복되었다.

26일간 작동후에 전압은 3.70볼트였고, 전류 효율은 92%였으며, 생성된 수산화 나트륨 수용액의 농도가 중량으로 32.3%였으며, 백만당 28파트의 염소 이온을 함유하고 있었다.

Claims (1)

1. 필터프레스형 전해조에 사용하기 적합한 전극에 있어서, 전극은 평평한 지지부(1)와 그 지지부의 최소한 한 면상에 있는 서로 평행한 다수의 긴 부재(9,10)로 이루어져 있으며, 가늘고 긴 부재(9,10)는 그 단부가 지지부(1)에 부착되어 있고 가늘고 긴 부재의 본체는 그 평면이 지지부의 평면과 평행하게 이격되어 있고 그 전면은 지지부의 평면과 평행하게 되어있음을 특징으로 하는 전극.

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