KR890003860B1

KR890003860B1 - 멀티 셀 전해조

Info

Publication number: KR890003860B1
Application number: KR1019850005605A
Authority: KR
Inventors: 마오미 세꼬; 레이지 다께무라; 히데하루 미야모리
Original assignee: 아시히가세이고오교 가부시끼가이샤; 요미야마 아끼라
Priority date: 1984-08-07
Filing date: 1985-08-03
Publication date: 1989-10-05
Also published as: EP0172495A3; MX157612A; EP0172495A2; US4643818A; KR860001902A; NO853041L

Abstract

내용 없음.

Description

멀티 셀 전해조

제1도는 본 발명에 따른 일 구현예를 도시한 단면도.

제2도는 제1도에서 공통으로 사용되는 양극실과 음극식의 일 형태를 도시한 개요도.

제3도는 제2도의 Ⅲ-Ⅲ 선으로 절단한 단면도.

제4(a)도는 강성 전기전도시트의 일 형태로서 버링을 도시한 평면도.

제4(b)도는 제4(a)도에서 돌기부에 대한 확대 단면도.

제5(a)도는 강성 전기전도시트의 다른 일형태로서 강망을 도시한 평면도.

제5(b)도는 제5(a)도의 강망에 대한 확대 사시도의 일부.

제6도는 제1도에서 공통으로 사용되는 양극실과 음극실의 다른 일 형태를 도시한 개요도.

제7도는 제6도의 Ⅶ-Ⅶ선으로 절단한 단면도.

제8도는 공통으로사용되는 양극실과 음극실의 다른 일 형태를도시한 단면도.

제9도는 본 발명에 따른 다른 일구현예를도시한 단면도.

제10도는 본 발명에 따른 전해조의 일 형태를 도시한 측면도.

제11도는 본 발명에 따른 전해조의 다른 일 형태를 도시한 측면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 프레임벽 2 : 금속측벽

3 : 전기전도리브 4 : 전극(양극, 음극)

8 : 강성 금속판 12 : 양이온 교환막

14 : 양극실 16 : 음극실

18 : 전기 전도시트

본 발명은 멀티 셀(multi-cell)전해조에 관한 것으로서, 특히 알카리금속 염화물 수용액으로 부터 알카리 금속 수산화물 및 염소를 전해 생산하기 위한 멀티 셀 전해조에 관한 것이다.

본 발명에 다른 멀티 셀 전해조는 다수의 단위 셀을 양극실과 음극실로 분리시키는 양이온 교환막으로 구성되고 상기 각각은 전해조의 가동시 내압이 대기압 이상으로 유지되도록 되어 있으며, 상기 다수의 단위 셀은 직렬 배치되어 있고, 다수의 전류 납판에 의해 가동되며, 인접한 단위 셀 사이 및/또는 각 전류 납판과 그에 인접한 단위 셀 사이에 강성 다중접촉 전기전도 수단이 구비되어 있으므로써 인접한 단위셀사이 및/또는 각 전류납판과 그에 인접한 단위 셀사이에 전기 접속이 실현된다.

본 발명의 전해조에 의해 전해되는 알카리 금속 염화물의 몇가지 예로서 염화나트륨, 염화포타슘 및 염화리튬이 있다. 그 중에서 염화나트륨이 공업적으로 가장 중요한 것이다. 차후는 염화나트륨 수용액의 전해로써 본 발명을 설명할 것이나, 본 발명이 염화나트륨용 전해조에 국한되는 것은 아니다.

이미 공지된 사실로서 염화나트륨 수용액용 이온 교환막 전해조는 일반적으로 두가지 유형의 전해조, 즉 쌍극시스템 전해조 및 단극시스템 전해조를 포함한다. 상기 두가지 유형의 전해조에 관해서는 지금까지 여러가지 개선책이 제기되어 왔다.

예를들어 쌍극시스템 전해조에 관해서는 인접한 단위셀의 측벽을폭발 접합시켜 인접한 단위셀간의 전기 접속을 실현한 전해조(미합중국 특허 제4,111,779호)인접한 단위 셀 사이에 탄성 스트립을 개입시켜 그 사이의 전기접속을 부여하는 전해조(미합중국 특허 제4,108,752호) 단위 셀을 플래스틱재료로 만들고 볼트와 너트를 이용하여 전기 접속시킨 전해조(독일연방공화국 특허 제2551234호)등이 있다.

단극시스템 전해조에 있어서는, 전해 셀에 다수의 납봉을 삽입하여 전류 분산을 시도한 전해조(일본국 특허 공개 제52-153877호)와 전도 면적을 줄이고 각 전극의 단부에 버스바(brsbar)를 직접연결시킨 전해조(미합중국 특허 제4,252,628호)가 있다.

상기한 바와같이 지금까지 제기된 전해조는 염수의 이온교환막 전해에 적합하도록 개선된 것이다. 그러나 조립하는데에 복잡한 과정을 요하고, 인접한 단위 셀간의 전기 접촉 저항이 크며, 전해 셀에서 전류 밀도가 불균일하고, 그 생산단가가 높은 단점들을 안고 있다.

또한 상술한 바와같이 종래의 전해조는 쌍극형 단위 셀과 단극형 단위 셀간의 호환성이 없기 때문에 전해조의 유형에 따라 그 유형에 해당하는 다수의 단위 셀을 개별적으로 준비해야 하는 단점도 있다.

한편, 전해셀의 내압을 대기압 이상의 압력으로 유지시키면서 전해조를 작동시키면 전력 소비를 극히 줄일수 있다는 사실도 알려져 있다(미합중국 특허 제4,105,515호). 그러나 대기압 이상의 압력으로 전해셀의 내압을 유지시켜 수행하는 전해에서도 상기한 단점을 안고 있는 종래의 전해조를 사용하기 때문에 실제적으로 압력 셀의 이용에 따른 만족스런 효과를 얻을 수 없다. 따라서 본 발명의 목적은 인접한 단위 셀 사이 및/또는 각 전류납판과 그에 인접한 단위 셀사이의 전기 접촉저항이 작고, 셀에서의 전류밀도가 균일하며, 조립이 용이하고 생산단가가 낮은 멀티 셀 전해조를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 하나의 목적은 쌍극형 이나 또는 단극형 둘모두에 공통된 단위 셀을 사용하여 용이하게 쌍극형 또는 단극형으로 제작할 수 있는 멀티 셀 전해조를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 멀티 셀 전해조는 다수의 단위 셀을 구성하고 있으며, 각각의 단위 셀은 양극실과 음극실을 구성하고, 상기 양극실은 프레임벽과 프레임벽과, 함께 팬(pan)형상을 이루는 금속측벽과 다수의 전기 전도리브(rib)를 통해 금속측벽에 용접된 양극으로 구성되어 있으며, 상기 음극실은 프레임벽과 프레임벽과, 함께 팬형상을 이루는 금속측벽과 전기 전도 리브를 통해 금속측벽에 용접된 음극으로 구성되어 있고, 양극실의 양극과 음극실에 인접한 음극실의 음극사이에 양이온 교환막이 설치되어 양극과 음극은 양이온교환막의 양쪽에서 각각 교환막과 면하고 있으며, 상기 다수의 단위 셀은 직렬로 배치되어 다수의 전류 납판을 통해 작동되게 되어 있고, 인접한 단위 셀사이 및/또는 각 전류납판과 그에 인접한 단위 셀 사이에 강성의 다중접촉 전기 전도수단이 구성되어 있어 다수의 지접에서 그 사이의 강력한 접촉이 형성되며, 각 단위셀의 내압을 대기압 이상으로 유지시키면서 전해조를 가동시킬 수 있게되어 있다. 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 구체적으로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

제1도에서 제4도는 본 발명의 일 구형예로서 쌍극시스템을 도시한 것이다. 다수의 단위 셀 각각은 양극실(14)과 음극실(16) 및 양극실(14)과 음극실(16)사이에 설치된 양이온 교환막(12)을 구성하고 있으며, 양극(4)과 음극(4)은 양쪽에서 양이온 교환막과 면하고 있다.

양극실(14)과 음극실(16)은 각각 프레임 벽(1) 및 프레임 벽(1)과 함께 팬형상(제2도와 제3도)을 이루도록 설치된 금속측벽(1)과 다수의 전기 전도 리브(3)을 통해 측벽(2)에 용접된 전극을 구성하고 있다. 각각의 전기전도 리브(3)에는 전해용액 및 전해 생성물이 통과할 수 있도록 여러개의 구멍(7)이 구비되어 있다. 프레임 벽(1)은 그 하단부에 전해용액의 입구(5)를, 그리고 그 상단부에 전해용액 및 전해 생성물의 출구(6)를 구비하고 있다.

입구(5)와 출구(6)는 전해용액의 공급헤더(도시 않했음)에 그리고 가요성 호스(도시 않했음)을 통한 전해용액 및 전해 생성물의 방출 헤드(도시 않했음)에 각각 연결되어 있다. 전해조의 작동에서 각 단위 셀은 압력을 받게 되어 그 내압이 대기압 이상으로 유지된다.

전술한 제1도의 설명에서와 같이 다수의 단위 셀은 직렬배치되어 있다. 각각의 셀은 그 양쪽에 양극실(14)의 측벽(2)과 음극실(16)의 측벽(2)을 각각 포함한다. 인접한 단위 셀의 측벽(2)은 일정간격을 두고 서로 마주보게 된다. 인접한 단위 셀사이(즉, 상기한 간격)에 강성의 다중접촉 전기전도 수단이 구비되어 있다. 본 예에서는 강성의 다중접촉 전기전도 수단으로서 다수의 돌기부를 각춘 전기 전도 시트(18)를 사용한다. 전기 전도시크(18)의 일예로서 제4(a)도에 도시된 버링(btrring)을 사용할 수 있다. 버링은 강성금속판(8)과 프레싱과 같은 종래방법에 의해 판(8)에 형성된 무수한 돌기부(9)를 구성하고 있다.

본 발명에서 "강성의 다중접촉 전기 전도 수단" 이란 다수의 점에서 다른 물체와의 접촉을 성취하기 위한 수단을 의미하며, 상기 수단은 전기 전도성이고 탄성이 없으며, 한쌍의 판사이에서 상기 수단이 유지되어 유지된 상태에서 상기 쌍의 판양쪽에 3kgf/㎠G(0.294MPa)이하의 압력이 가해질때 변형이나 또는 두께 변화가 거의 일어나지 않는 강성을 가진다. 강성의 다중 접촉 전기 전도 수단은 다수의 돌기부를 갖고 있다. 강성의 다중접촉 전기 전도 수단은 본 발명의 목적을 만족하는 한, 그 종류,모양 또는 형상에 제한을 받지 않는다.

상술한 바와같이 강성의 다중접촉 전기 전도 수단으로서 제4(a)도의 버링과 제5(a)도에서 설명한 강망(expanded metal)과 같이 다수의 돌기부를 갖는 강성 전기 전도시트를 이용할 수 있다. 다른 대안으로서 제9도에서 차후에 설명되는 바와같이 인접한 단위 셀의 적어도 하나의 측벽에 형성된 다수의 돌기부로서 강성의 다주접촉 전기 전도 수단을 구성할 수 있다.

제9도에 도시된 특정 형상의 강성 다중접촉 전기 전도 수단의 경우에 측벽이 깨어지거나 측벽의 돌기부 형성시 구멍이 생기지 않도록 주의해야 한다. 제4(a)도와 제5(a)도에 도시된 바와같이 다수의 돌기부를 갖는 전기 전도 시트의 경우에는 시트의 형성공정이 용이하여 전술한 바와같은 특별한 주의를 요하지 않는다.

일반적으로 다중접촉 전기 전도 수단은 각 돌기부의 높이가 1.0∼4.0㎜, 바람직하게는 1.5∼3.0㎜, 직경은 2∼10㎜, 바람직하게는 3∼5㎜이다. 돌기부는 5∼10㎜의 간격, 바람직하게는 10∼20㎜의 간격으로 분산되어 있다. 제4(a)도와 제5(a)도에 도시된 바와같이 다수의 돌기부가 형성된 전기 전도시트의 경우, 시트의 두께는 0.3∼2.0, 바람직하게는 0.5㎜∼1.5㎜이다.

제1도에서는 제4(a)도에 도시된 버링과 같이 다수의 돌기부가 있는 전기 전도 시트(8)가 구비되어 있다. 전기 전도 시트(18)는 인접한 단위 셀사이. 즉 음극실(16)의 측벽과 양극실(14)의 측벽(2)사이에 설치되어 인접한 단위 셀간에 다수의 점에서 견고한 강성 접촉이 성취됨으로써 전기 3전도 시트(18)를 통해 인접한 단위 셀간에 전기 접속이 일어난다.

다수의 단위 셀은 전기 전도 시트(18)와 번갈아 배치되어 있고 제10도에서 설명될 필터 프레스형 전해조의 구조를 하고 있다. 제1도와 제10도에 도시된 배치의 경우, 전해조는 쌍극시스템이며, 다수의 단위 셀의 직력배치의 양쪽 단부에 각각 설치된 한쌍의 전류납판(19)을 포함한다. 이 경우, 각각의 전류납판(19)과 그에 인접한 단위 셀 사이에 전기 전도 시트(18)가 구비되어 있어, 각각의 전류납판(19)과 그에 인접한 단위셀 사이에도 전기 접속이 일어난다.

전술한 바와같이, 각 단위 셀의 내압이 대기압 이상의 압력으로 유지되면서 전해조가 가동되기 때문에 각각의 단위 셀의 측벽이 외측으로 팽창한다. 그 결과, 전기 전도 시트(18)를 통한 인접 단위 셀사이, 그리고 전류납판(19)과 그에 인접한 단위 셀사이의 견고한 강성 접촉이 단위 셀의 측벽면적 전체에 걸친 다수의 접촉점에서 확실하게 성취된다. 이 경우에 전기 접촉 저항을 극소화시키기 위해 접촉압력을 상승시키는 것이 대단히 중요하다.

본 발명에서는 다수의 돌기부를 갖는 강성의 다중접촉 전기 전도 수단을 통해 전기 전도 수단을 통해 전기접촉이 수행되기 때문에 접촉점에서의 접촉압력이 상당히 큰 이점이 있다. 이것은 인접한 단위 셀간의 전기접촉 저항 및 각각의 전류납판(19)과 그에 인접한 단위 셀간의 접촉저항을 극소화시킬 뿐만아니라, 전해셀에서의 전류밀도 분포를 균일하게 해준다. 또한 본 발명의 전해조는 전술한 바와같이 구조가 간단하기 때문에 조립이 극히 용이하고 그 생산단가가 낮다.

제2도와 제3도는 공통으로 사용할 수 있는 일예를 도시한 것이다. 프레임벽(1)의 두께는 프레임벽에 입구(5)와 출구(6)를 형성하기에 충분한 강도가 있는한, 특별히 제한되지는 않지만 일반적으로 0.5∼5.0㎝, 바람직하게는 1.0∼3.0㎝,이다. 본 발명에서 사용된 프레임벽의 재료는 중요하지 않다. 적절한 재료로서 철, 니켈, 티타늄 및 그 합금과 같은 금속재료와 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐클로라이드와 같은 플래스틱 재료를 예로들수 있다. 그러나 상기 재료중에서 전해용액의 누출방지 및 전해조의 기계적 강도면에서는 금속재료가 바람직하다. 금속은 측벽에 용접되어 단일 구조를 형성할 수있기 때문에 금속을 사용하여 상기 장점을 성취할 수 있다. 더우기 양극실의 프레임벽에 대한 재료로서는 티타늄 또는 티타늄 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 반면에 음극실의 프레임벽에 대한 재료는 철, 니켈 또는 스텐레스강과 같은 합금을 이용하는 것이 좋다.

전기 전도리브(3)는 측벽(2)에 용접되어 있고, 전극(4)은 전기 전도리브에 용접되어 있다. 측벽과 전기전도 리브에는 전해상태에서 불활성인 재료이면 모두 사용할 수있다. 예를들어 양극실에서 측벽과 전기 전도 리브의 재료로서 티타뮴 또는 티타늄 합금을 사용할 수 있다. 그리고 음극실에서 측벽과 전기 전도 리브의 재료로서는 철, 니켈 또는 스탠레스강과 같은 합금을 사용할 수 있다.

측벽(2)의 외측표면에는 높은 전기 전도도와 낮은 경도를 나타내는 금속을 피복하여 서로 인접한 측벽사이 및 측벽과 전류납판 사이의 전기접촉 저항을 줄이는 것이 바람직하다. 동, 주석, 알루미늄 등과 같은 금속을 예로서 들 수 있다. 상기와 같은 피복은 티타늄 측벽일때 특히 유익하며, 이는 티타늄 측벽의 경우 일어나기 쉬운 산화막의 형성이 상기 피복에 의해 방지될 수 있기 때문이다. 상기 피복을 부여하는 방법은 문제가 되지 않으며, 예를들어 무전해도금, 전기도금, 용융분사 및 증기 증착과 같은 통상적인 기술을 이용할 수있다.

측벽은 셀의 내압에 의해 적당히 팽창할 수 있고, 그리고 전기 전도 리브에 충분히 용접될 수 있는 두께를 가지는 것이 요망된다. 일반적으로 그 두께는 약 1∼3㎜이다. 측벽과 프레임벽은 서로 협력하여 팬형상을 이룬다. 상세히 기술하면 측벽은 용접, 볼트접합 및 접착제등을 이용한 접합으로써 프레임벽에 부착시틸 수 있다. 그중에서 단일 구조의 형성이 편리하기 때문에 용접 또는 접착제를 이용한 접합이 바람직하다. 프레임벽이 플레스틱 재료와 같이 전해수용액 또는 전해 생성물에 충분한 저항성이 없는 재료로 만들어진 경우, 제8도에서 차후에 설명되는 바와같이 측벽의 모서리부분에 플래스틱 프레임을 수용할 수있는 리세스를 구비하는 구조의 측벽일 수 있다.

전기 전도 리브(3)에서 전해용액 및 전해 생성물이 통과하도록 하는 구멍(7)이 형성되어 있다. 측벽과 전극간의 거리에 행당하는 전기 전도 리브(3)의 높이는 양이온 교환막(12)과 전극(4)사이에 거의 또는 전혀 공간이 생기지 않도록 조정한다. 전기 전도 리브(3)의 높이는 양이온 교환막(12)과 전극(4)사이에 거의 또는 전혀 공간이 생기지 않도록 조정한다. 전기 전도 리브(3)의 높이 조정 시에는 프레임벽(1)의 폭, 가스켓(13,15)의 두께 및 전극과 같은 여러가지 인자를 고려해야 한다. 전기 전도리브(3)의 위치에 관해서는 셀의 상부에서 보다 양극실의 리브와 음극실의 리브가 번갈아 설치되는 것이 좋다. 양극실의 각 전기 전도 리브가 셀의 상부에서 보아 음극실의 전기 전도 리브와 일치하여 설치된때, 리브의 높이가 너무 큰 경우에 양극실의 전기 전도 리브가 양극, 막 및 음극을 통해 음극실의 리브와 면하고 있는 위치에서 양극과 음극에 의해 양이온 교환막(12)이 파괴되어 회로가 단락되는 위험성이 따른다.

반면에 셀의 상부에서 보아 양극실의 전기 전도 리브와 음극실의 리브가 번갈아 설치된 때에는 전기 전도 리브의 높이가 교환막과 각 전극간의 간격을 0으로 하는 것보다 약간 클지라도 전극 및/또는 금속측벽의 형상을 평판형에서 파동형으로 변화시킴으로써 교환막이 음극 및 양극에 의해 부서지는 위험성이 제거되는 동시에, 교환막과 음극사이 및 교환막과 양극사이의 공간을 0으로 할 수 있다.

전극(4)으로서는 강망(expanded metal), 구멍 뚫린판, 봉, 그물 등으로 만들어진 종래의 다공성 전극을 사용할 수있다. 그중에서 교환막을 손상시키지 않고서도 교환막과 전극간의 간격을 0으로 할 수 있기 때문에 구멍뚫린 판으로 만든 다공성 전극(구멍뚫린 판전극)이 바람직하다. 구멍뚫린 판전극은 원형, 타원형, 정사각형, 장방형, X형 등의 다수의 개구를 갖춘 판으로 만든 전극이다. 보통 천공으로써 상기 개구를 형성한다. 천공으로써는 원형개구가 형성시키기 용이하기 때문에 개구는 원형인 것이 바람직하다. 개구의 직경은 0.5∼6㎜, 바람직하게는 1∼5㎜로 할 수 있다. 구멍뚫린 판전극의 개구비율은 10∼70%, 바람직하게는 15∼60%이다. 개구의 직경과 개구비율이 너무 작으면, 발생된 개스의 방출이 곤란하다. 반면에 개구의 직경과 개구비율이 너무 크면, 양이온 교환막의 전류밀도가 불균일하게 되어 불리하다.

양극으로서는 알카리 금속염화물 수용액의 전해에 통상 사용하는 전극을 이용할 수 있다. 예를 들면 티타늄, 지르코늄, 탄탈륨, 니오비움 또는 그 합금으로된 기질과 기질의 표면에 형성된 주로 루테늄 산화물 등과 같은 백금산화물로 구성되는 양극 활성피복을 구성하는 양극이 있다.

본 발명의 전해조의 전해셀에 사용되는 음극은 철, 니켈 또는 그 합금으로 만들어진 것이거나 또는 기질로서 금속과 금속에 형성된 라니-니켈, 니켈단화물, 니켈로산화물 등의 음극활성 피복으로 구성된 것일 수있다.

전술한 제4(a)도 및 제4(b)도에서 버링이 강성의 다중접촉 전기전도 수단의 일 형태로서 사용되는 다수의 돌기부를 갖춘 전기 전도 시트의 바람직한 일예이다. 물론 제4(a)도 및 제4(b)도에 도시된 버링이외에 그 한쪽이나 또는 양쪽 모두에 다수의 돌기부를 구성한 여러가지 형태의 시트를 이용할 수 있다. 전기 전도시트의 두께는 중요하지 않지만 일반적으로 약 0.1∼3㎜의 범위이다. 인접한 단위 셀사이 그리고 각 전류납판과 그에 인접한 단위셀 사이의 전기접촉 저항을 극소화시키는 데에는 전술한 강판 및 버링이 극히 효율적이다. 전기 전도 시트의 크기는 별문제가 되지 않지만 단위셀의 측벽 전체에 걸치는 것이 바람직하며, 돌기부는 단위셀의 측벽의 전체 면적에 걸쳐 분산된 것이 좋다. 다수의 돌기부를 갖춘 전기 전도 시트의 재료는 동, 주석, 알루미늄, 철, 니켈 및 스텐레스강과 같은 합금과 같이 높은 전기 전도성을 갖는 금속이면 모두 사용할 수 있다.

양극실의 가스켓(13)과 음극실의 가스켓(15)은 상기 양극실과 음극실을 밀봉하여 전해용액의 누출을 방지하기 위한 것이다. 양이온 교환막의 표면이 평탄하여 전해용액에 대한 밀봉성을 부여할 수 있는 경우에는 이들 가스켓중 하나 또는 둘모두를 생략할 수 있다.

양극실의 가스켓(13)재료는 염소가스 저항성과 탄성을 갖는 재료이면 모두 이용할 수 있다. 상기 재료에 대한 바람직한 예로서 클로로프렌고무, 플루오로고무(fluororubber), 실리콘고무 등이 있다. 음극실의 가스켓(15)에 대한 적절한 재료로서는 에틸렌 프로필렌고무, 클로로프렌고무, 부틸고무, 플루오로고무 등을 예로 들 수 있다. 보강천으로써 가스켓(13,15)을 보강시킬수 있다.

본 발명에 사용되는 가스켓의 두께는 전해용액을 완벽하게 밀봉시키기에 충분한 것이어야 좋다. 적절한 두께는 가스켓의 경도에 따라 다르다. 그러나 일반적으로 약 0.5∼3㎜의 범위이다. 본 발명에서 사용하는 양이온 교환막(12)은 특별히 제한을 받지 않으며, 알카리금속 염화물 수용액의 전해에 일반적으로 사용되는 어떠한 교환막도 이용할 수 있다.

양이온 교환막의 수지의 종류에 대해서는 술폰산형, 카르복실산형, 술폰아미드형 그리고 카르복실산 및 술폰산 조합형의 수지를 예로 들 수 있다. 그중에서 알카리금속에 대해 높은 교환수를 나타내는 카르복실산과 술폰산의 조합형이 특히 바람직하다. 조합형의 경우에 양극실의 양극과 음극실의 음극사이에 양이온 교환막을 설치하여 양이온 교환막에서 술폰산군이 존재하는 면과 양극이 마주보고, 카르복실산군이 존재하는 면과 음극이 마주보도록 하는 것이 가장 바람직하다. 양이온 교환막의 수지매트릭스에 대해서는 염소저항성에 관한 측면에서 볼 때 플루오로카아본(fluorocarbon)이 유리하다. 교환막은 그 강도를 높이기 위해서 천, 그물 등으로써 보강시킬 수 있다.

제5(a)도는 다수의 돌기부를 갖는 강성 전기 전도 시트에 대한 다른예의 바람직한 형상으로서 사용되는 강망을 도시한 것이다. 제5(b)도는 제5(a)도의 강망의 일부를 확대도시한 사시도이다. 강망은 본 발명에서 바람직하게 사용할 수 있으며, 전기접촉 저항을 극소화시키는 데에 극히 효과적이다.

제6도는 측면길이가 1m이상인 프레임벽을 갖춘 단위셀을 도시한 것이다. 이 경우에 프레임벽(1)의 윗면과 아랫면의 중심부 사이에 보강리브(10)를 구비한다면, 측벽(2)과 프레임벽의 두께를 줄일 수 있는 잇점이 있다.

제7도는 제6도의 Ⅶ -Ⅶ선으로 절단한 단면도이다. 보강리브(10)는 그 한쪽끝은 프레임벽(1)의 윗면에 그리고 다른쪽 끝은 프레임벽(1)의 아랫면에 용접하거나 또는 볼트접속한다. 리브(10)를 측벽(2)에 용접하면 단위 셀의 내압에 의한 측벽의 외측 팽창이 불충분하여 인접한 단위 셀사이, 그리고 각 전류납판과 그에 인접한 단위 셀 사이의 전기접촉 저항이 증가되게 된다.

제8도는 프레임벽이 전해수용액 또는 전해 생성물에 충분한 저항성이 없는 플래스틱 재료 등으로 만들어진 다른 형상의 단위 셀에 대한 단면도이다. 이 경우, 금속 측벽은 그 모서리에 리세스(11)가 있어 플레스틱 프레임벽이 수용될 수 있는 구조를 하고 있다. 금속 측벽의 리세스 부분은 프레싱, 드로잉 등으로 형성시킬 수 있다.

제9도는 본 발명의 다른 일예를 도시한 단면도로서, 인접한 단위 셀 사이에 부여된 강성의 다중접촉 전기 전도 수단이 인접한 단위 셀의 한쪽 측벽표면에 형성된 돌기부로 구성되어 있다. 상기와 같은 구조를 이용함으로써 다수의 돌기부를 갖춘 전기 전도 시트를 추가로 부여할 필요성이 없게 된다. 돌기부(2)가 양쪽측벽(2)에 접촉하게 됨으로써 그 사이에 직접적인 전기 접속이 수행된다. 유사하게 단위 셀의 양쪽 측벽이 돌기부를 갖게 할 수 있다.

제10도는 본 발명에 따른 전해조의 한 형태를 도시한 단면도로서, 쌍극시스템이며, 필터프레스형 어셈블리의 형상을 하고 있다. 양이온 교환막(12)의 한쪽 측면에 가스켓(13)을 거쳐 음극실(14)이 설치되어 있다. 양이온 교환막(12)의 다른쪽 측면에는 가스켓(15)을 거쳐 양극실(16)이 설치되어 있다. 따라서 부품(12,13,14,15,16)은 단위 셀을 구성한다. 다수의 단위 셀은 그 사이에 설치된 다수의 돌기부를 갖는 전기 전도시트(18)와 함께 번갈아 배치되어 있음으로써 각 양극실(16)의 측벽(2)은 서로 바주보게 된다. 직렬 배열된 전해셀의 양쪽에는 전류납판(19)이 각각 설치되어 있고, 단위 셀과 전류납판은 필터프레스 고정프레임에 의해 고정되어 있음으로써 본 발명의 쌍극시스템 필터프레스형 전해조를 형성한다. 전류납판(19)은 프레임벽 둘레의 모서리에 의해 정의되는 것과 같은 크기를 가짐으로써 전류 납판은 그 전체면적이 측벽과 접촉하게되어 단위 셀에 균일한 전류밀도를 부여하며, 납판의 상부접속부(21)는 버스바를 통해 정류기에 연결된다. 전류납판의 상부접속부(21)는 버스바를 통해 정류기에 연결된다. 전류납판의 두께는 전류가 통과하는 면적과 그 전류밀도를 고려하여 오옴손실이 크게 상승하지 않도록 결정한다.

전류납판에 대한 적절한 재료로서 동, 알루미늄 등과 같이 전기 전도성이 높은 금속을 들 수 있다. 전술한 바와같이 본 발명의 전해조 동작시 각 단위셀의 내압은 대기압 이상으로 유지된다. 단위 셀에 압력을 가하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를들어 염소가스 및 수소가스의 방출통로에 압력조절 밸브를 구비하여 가스압력이 단위 셀의 내부에 가해지도록 하거나 또는 전해셀에 공급되는 양극액과 음극액의 순환체적을 조절하여 단위 셀의 내압을 조절할 수 있다. 단위 셀은 0.2∼3kg/㎠G ; 바람직하게는 0.5∼2.0kg/㎠G의 수준으로 압력을 받는다. 단위 셀의 내압이 너무 낮으면, 인접한 단위 셀사이와 전류납판과 그에 인접한 단위 셀사이의 접촉압력이 불충분하여 전기접촉 저항을 상승시키게 된다. 반면에 단위 셀의 내압이 너무 높으면, 전해조의 구조를 고압에 견딜수 있도록 해야함으로써 생산단가를 상승시키는 결점이 있다.

상기한 설명은 주로 쌍극시스템 전해조에 관한 것이지만, 본 발명은 단극시스템 전해조에 대해서도 유용한 것이다.

제11도는 본 발명에 따른 다른 형태의 전해조를 도시한 단면도로서, 단극시스템이며 필터프레스형 어셈블리의 형상을 하고 있다. 상기 형의 전해조에는 다수의 단위 셀이 그 사이에 설치된 전류납판(19)과 번갈이 배열되어 있다. 한쌍의 양극실 측벽사이에 전류납판(19)이 개입되어 있다. 각 측벽과 전류납판(19)사이에는 강성의 다중접촉 전기전도 수단이 구비되어 그 사이에 간접적인 전기접속이 성취된다. 이와 유사하게 음극실의 측벽사이에는 강성의 다중접촉 전기 전도 수단을 통해 전류납판(19)이 개입되어 그 사이에 전기 접속이 일어난다. 그리고 전해조는 각각의 전류납판을 통해 작동된다.

상술한 바와같이 본 발명에 따르면 인접한 단위 셀 사이와 각 전류납판과 그에 인접한 단위 셀 사이의 전기접촉저항이 극히 감소 될 뿐 아니라, 단위 셀에서의 전류밀도가 균일하게 되며, 따라서 30A/d㎡ 이상의 전류밀도로서 본 발명의 전해조를 작동시킬 수 있다. 인접한 단위 셀 사이에 탄성접촉수단이 구비된 종래의 전해조에서는 본 발명의 전해조의 경우에 반하여 인접 단위 셀간의 쿠션작용에 의해 그 사이에 높은 접촉압력을 얻을 수 없다.

[실시예 1]

제10도에 도시된 것과 유사한 쌍극시스템의 멀티셀전해조는 한쌍의 연속한 단위 셀, 양이온 교환막 세개의 강성 다중접촉 전기 전도 시트 및 한쌍의 전류납판으로 구성된다.

각각의 단위 셀은 양극실과 음극실을 구성한다. 양극실의 크기는 음극실과 같다. 즉 음극실과 양극실의 프레임벽은 폭이 2400㎜, 높이가 1200㎜ 및 두께가 20㎜이다. 프레임벽의 외측과 내측간의 거리는 20㎜이다. 양극실의 프레임벽은 티타늄으로 만들어져 있으며, 음극실의 프레임벽은 스텐레스강으로 만들어져 있다.

각 양극실과 음극실의 프레임벽은 높이 20㎜, 폭 5㎜ 및 길이 1160㎜인 보강리브로써 보강되어 있다. 보강리브의 양쪽 단부는 프레임벽 위쪽의 내표면 중간에, 그리고 프레임벽 아랫쪽의 내표면 중간에 각각 용접되어 있다. 보강리브에는 전해용액과 전해 생성물을 통과시키기 위한 직경 8㎜의 구멍이 8개 구비되어 있다. 상기 구멍은 보강리브에 배열되어 있다.

각 양극실의 금속측벽은 폭이 2400㎜, 높이가 1200㎜ 및 두께가 2㎜이며, 프레임벽에 용접되어 있음으로써 금속측벽은 프레임벽과 함께 팬(pan)형상을 이룬다. 양극실과 음극실은 프레임벽과 금속측벽에 용접된 다수의 전기 전도 리브를 구비하고 있다. 전기 전도 리브는 프레임벽과 측벽에 용접되어 전기 전도 리브는 프레임벽의 단측과 평행하게 12㎝ 간격으로 위치하며, 양극실의 전기 전도 리브와 음극실의 전기 전도 리브가 셀의 상부에서 보아 번갈아 위치되는 배열이다.

양극실의 각 전기 전도 리브는 높이가 20㎜, 폭이 5㎜ 및 길이가 1160㎜이며, 음극실의 각 전기 전도 리브는 높이가 22㎜, 폭이 5㎜ 및 길이가 1160㎜이다. 각 전기 전도 리브는 직경이 8㎜인 10개의 구멍을 갖추고 있어 전해용액과 전해 생성물이 통과할 수 있다. 상기 구멍은 전기 전도 리브의 길이방향으로 배열되어 있다.

금속 측벽과 전기 전도 리브는 프레임벽의 그것과 같은 재료로 만들어져 있다. 즉 양극실의 금속측벽과 전기 전도 리브는 티타늄, 그리고 음극실의 금속측벽과 전기 전도 리브는 스텐레스강으로 만들어져 있다. 양극실의 금속측벽의 외표면은 구리가 무전해도금 되어 있다.

양극은 티타늄판에 3㎜간격의 지그재그 배열로 직경 2㎜의 구멍을 뚫고 티타늄판의 표면은 루테늄, 이리늄, 티타늄 및 지르코늄으로 구성된 함산소 고용체를 도금하여 준비한다. 음극은 스텐레스 강판에 3㎜간격의 지그재그 배열로 직경 2㎜의 구멍을 뚫어 준비한다. 음극의 크기는 양극과 같다.

강성의 전기 전도 시트로서는 제5(a)도 및 제5(b)도에 도시된 바와 같이 두께(t₂) 1.5㎜의 스텐레스강판으로 제작한 강망을 사용한다. 강망의 단축(Ws), 장축(W_L)및 높이는 각각 7㎜, 14㎜ 및 3㎜ 이다. 강망의 크기는 프레임벽의 외부 둘레에 의해 정의되는것과 같다. 두께 4㎜의 동판을 전류납판으로 사용한다. 양극실의 가스켓과 음극실의 가스켓은 두께 0.5㎜의 플루오르고무와 두께 2.5㎜의 에틸렌 프로필렌고무로써 각각 제작한다. 상기 각 가스켓의 형상과 크기는 프레임벽과 같다.

양이온 교환막은 다음과 같이 제작한다.

테트라플루오르에틸렌을 퍼플루오로-4, 7-디옥시-5-메틸-8-노넨술포닐플루오라이드를 공중합하여 2종류의 중합체, 즉 당량 1300의 중합체 1및 당량 1130의 중합체 2를 얻는다.

상기 얻어진 중합체를 영소성하여 두께 35μ의 중합체 1박판과 두께 100μ 의 중합체 2박판을 얻는다. 테트론(폴리테트라플루오로에틸렌)으로 제작한 직물을 진공적층법으로써 중합체 2의 측명상에서 박판에 매립한다. 상기 박판을 감화시켜 술폰산형 이온교환막을 얻는다. 이온교환막의 중합체 1판을 구성하는 상기층을 환원처리하여 술폰산군을 카르복실산 군으로 전환시킨다. 따라서 양이온 교환막이 얻어진다.

전해셀은 제10도에 도시된 바와 유사하게 조립하여 양이온 교환막의 카르복실산쪽이 음극과 마주보도록 한다. 다음과 같이 염화나트륨 용액의 전해를 수행한다. 염화나트륨 310g/l를 함유하는 용액을 양극실에 공급하여 출구에서 용액중 염화나트륨의 농도를 175g/l가 되도록 한다. 한편, 희석된 수산화나트룸 용액을 음극실에 공급하여 출구에서 용액중 수산화나트륨의 농도를 30w/o가 되도록 하나. 전해의 다른 조건은 다음과 같다.

전해온도 : 90℃

전류밀도 : 40A/d㎡

음극실 출구의 압력 : 1.82kgf/㎠G

양극실 출구의 압력 : 1.46kgf/㎠G

결과적으로 전류 효율과 셀전압은 각각 96.0% 및 6.7V이다.

[실시예 2]

염화나트륨용액의 전해는 강성의 전기 전도 시트로서 강망대신에 제4(a)도와 제4(b)도에 도시된 버링을 사용한 점을 제외하고는 실시예1과 거의 같다. 버링은 0.8㎜ 두께(t₁)의 스텐레스 강판(8)으로서 한쪽면에 직경(W₁) 3㎜, 깊이(H₁)2㎜의 다수의 돌기부(9)가 있다. 돌기부는 측방으로 20㎜의 간격(d₁), 길이방향으로는 17.5㎜ 간격(d₂)으로 배열되어 있다. 각각의 돌기부는 그 정상부에 직경 1㎜의 개구를 구비하고 있다. 상기 전해에서 전류효율과 셀전압은 각각 96.0% 및 6.6V이다.

Claims

다수의 단위 셀로 구성되어 있으며, 각각의 단위 셀은 양극실(14)과 음극실(16)로 구성되고, 강기 양극실(14)은 프레임벽(1)과, 프레임벽과 함께 팬 형상을 이루는 금속측벽(2)과, 다수의 전기 전도 리브(3)를 통해 금속측벽(2)에 용접된 양극(4)으로 구성되어 있으며, 상기 음극실(16)은 프레임벽(1)과, 프레임벽과 함께 팬 형상을 이루는 금속 측벽(2)과, 전기 전도 리브(3)를 통해 금속측벽에 용접된 음극(4)으로 구성되어 있고, 양극실(14)의 양극(4)과 양극실(14)에 인접한 음극실(16)의 음극(4)사이에 양이온 교환막(12)이 설치되어 양극과 음극은 양이온 교환막(12)의 양족에서 각각 교환막(12)과 면하고 있으며, 상기 다수의 단위 셀은 직렬로 배치되어 다수의 전류 납판을 통해 작동되게 되어 있고, 인접한 단위 셀 사이 및/또는 각 전류 납판과 그에 인접한 단위 셀 사이에 강성의 다중 접촉 전기 전도 수단(18)이 구성되어 있어 다수의 지점에서 그 사이의 강력한 접촉이 형성되며, 각 단위 셀의 내압을 대기압 이상으로 유지시키며서 전해조를 가동시킬수 있음을 특징으로 하는 멀티셀 전해조.
제 1 항에 있어서, 상기 강성의 다중 접촉 전기 전도 수단(18)이 단위 셀의 적어도 하나의 측벽 표면에 형성된 다수의 돌기부(9)로 구성되는 것은 특징으로 하는 멀티 셀 전해조.
제 1 항에 있어서, 상기 강성의 다중 접촉 전기 전도 수단(18)이 다수의 돌기부(9)를 갖춘 강성의 전기 전도 시트(18)의 형상이며, 인접한 단위 셀 사이 및/또는 각각의 전류 납판(21)과 그에 인접한 단위 셀 사이에 상기 전기 전도 시트(18)가 유지된 것을 특징으로 하는 멀티 셀 전해조.
제 3 항에 있어서, 다수의 돌기부를 갖춘 강성의 전기 전도 시트가 버링 또는 강망의 형상인 것을 특징으로하는 멀티셀 전해조.
제 1 항에서 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 각 단위 셀의 내압이 0.2∼3Kg/㎠G의 압력으로 유지되는 것은 특징으로 하는 멀티셀 전해조.