KR100457936B1 - 전기화학 기체 확산 반전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 기체 구획 (2a, 2b, 2c, 2d)에 의해 형성된 기체 확산 전극 (5)용 기체 공간, 이온 교환막 (40), 마운팅 구조 (11), 기체 유입구 (21) 및 전해질 및 기체 배출구 라인 (22), 전해질 공급 파이프 (20) 및 하우징 (13)을 포함하는 양극 또는 음극으로서 기체 확산 전극 (5) 기재의 반전지에 관한 것이다. 상기 반전지는 기체 확산 전극 (5)가 하나 이상의 기체 구획 (2a, 2b, 2c, 2d)에 연결되어 마운팅 구조 (11)에 분리 가능하게 고정되는 하나 이상의 기체 구획 모듈 (1a, 1b, 1c, 1d)을 형성하며, 기체 유입구 (21) 및 전해질 및 기체 배출구 라인 (22)가 기체 구획 (2a, 2b, 2c, 2d)에 분리 가능하게 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

전기화학 기체 확산 반전지 {ELECTROCHEMICAL GASEOUS DIFFUSION HALF CELL}
전체 높이가 높은 압력 균등 전기화학 전지 내에 기체 확산 전극의 사용은, 기체 구획이라 부르고 개별적인 연부 영역이 전극에 접촉되고 밀봉되어 기밀(gas-tight)되도록 기체 공간을 층층히 놓인 세그먼트로 분배하는 것을 필요로 한다. 이와 같은 기본 구조를 갖는 반전지는 독일 특허 제44 44 114 A1호에 기재되어 있다. 독일 특허 제44 44 114호에 개시된 구조 모드의 단점은 기체 확산 전극과 접촉시키고 이를 밀봉하는 비교적 정교한 방식이다. 전극 반응에 대하여 불활성인 전극 영역을 가능한 한 작게 유지하기 위하여 전극을 최소 공간에서 기체 구획과 전기 접촉되도록 위치시키고 밀봉하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 가능한 한 광범위하게 활성 전극 영역을 이용할 수 있게 하는 전기화학 기체 확산 반전지를 제공하는 것인데, 기체 구획이 있는 전극은 모듈로서 제거 가능하도록 임의적으로 고안되므로 기체 구획 내에 사전에 전극을 설치하여 연부 접촉부가 기밀되도록 하고 반전지 내에 기체 확산 전극의 수행을 위한 전기 접촉을 간단하게 한다.
본 발명의 또다른 목적은 특히 반전지의 모듈을 또한 통상적인 전극, 예를 들면 수소를 발생시키는 니켈 전극에 의해 간단한 방식으로 대체할 수 있는 반전지 및 전극과 기체 구획 모듈을 고안하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 기체 확산 전극이 장착된 구획을 제공함으로써 달성되는데, 상기 구획은 반전지로부터 임의로 또한 개별적으로 제거될 수 있고, 기체 공급 또는 압력 균등 수단 및 전기 연결부로부터 분리될 수 있다. 이러한 관점에서 기체 구획은 얇은 소형 부품으로서 제조되는데, 이의 전면부는 기체 확산 전극에 의해 공백화되어 전극을 반전지에 설치하는 경우 전해질은 기체 공간에 출현하지 않고 기체도 기체 구획으로부터 반대 방향으로 출현하지 않는다.
본 발명은 기체 확산 전극을 위한 하나 이상의 기체 구획으로부터 형성되는 기체 공간을 가지며, 이온 교환막, 전극 설치용 유지 구조, 전극용 전기 연결부, 기체 구획으로의 기체 유입구와 기체 구획으로의 압력 균등 기체 배출구, 전해질 공급 라인 및 전해질 방출 라인을 가지고, 전지 구성요소 수용을 위한 하우징을 갖는 양극 또는 음극으로서의 기체 확산 전극 기재의 전기화학 반전지로서, 기체 확산 전극은 기체 구획에 결합되어 유지 구조에 분리 가능하게 고정되는 모듈을 형성하는 것을 특징으로 하고, 기체 유입구 및 기체 배출구가 기체 구획에 대하여 분리 가능한 연결부를 형성하는 것인 전기화학 반전지에 관한 것이다.
바람직한 실시태양에서 기체 공간은 서로 독립적으로 전극 기체가 임의로 공급되고 기체 확산 전극 앞에 위치하는 전해질 공간에 대하여 임의로 압력 균등화되는 다수의 기체 구획으로 분배된다.
다수의 개별적인 기체 구획 모듈이 존재하는 경우에 개별적인 모듈은 서로 독립적으로 유지 구조에 분리 가능하게 고정되는 반전지가 특히 바람직하다.
또한, 기체 확산 전극을 변형 전극으로 대체시키기 위하여 쉽게 분리 가능한 방식으로 기체 확산 전극을 기체 구획에 고정시키는 실시태양이 특히 바람직하다.
기체 유입구 및 기체 배출구는 바람직하게는 기체 구획이 부착되고, 이온 교환막이 제거된 후에 기체 구획을 쉽게 제거하는 가요성 호스 연결부로 고안된다.
별법으로는 특히 커플링 실(seal)로서 제조되고 버블 채널로서 고안된 기체 유입구, 및 상응하는 압력 균등 침매(immersed) 부품을 또한 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 반전지의 또다른 바람직한 형성에서 기체 구획 모듈은 구조 부품에 의해 반전지 내에 위치되고, 외부 전력 공급원에 전기적으로 연결시키고, 유동이 발생하는 전해질 간극으로부터 전해질이 비제어 방식으로 기체 구획의 후방 압력 균등 공간으로 유출될 수 없도록 임의로 밀봉되는데, 구조 부품은 기체 확산 전극이 기체 확산 전극과 이온 교환막 사이의 전해질 공간으로 전해질을 통과시키기 위한 전해질 간극으로서 동시에 작용할 수 있도록 기체 구획 모듈을 위치시킨다.
기체 구획 모듈과 전류의 외부원, 예를 들면 반전지 하우징에 연결된 외부원 사이에서의 전기 접촉은 연부 영역에서의 가압 접촉 뿐만 아니라, 가요성 전기 전도 접촉 부품 (예, 스프링 접촉)을 통해 반전지 하우징, 예를 들면 이의 후면, 즉 기체 확산 전극으로부터 떨어져 있는 면과 가압 접촉되는 보조 구조에 의해 모듈을 전기 접촉시켜 개선시킬 수 있다.
전극에 대한 전류의 낮은 저항 공급은 연부 영역에서의 전기 접촉 및 전극의 면적에 걸쳐 분포된 전극 접촉으로 인한 것일 수 있다.
본 발명에 따른 반전지의 또다른 바람직한 변형체에서 기체 확산 전극은 이의 전면부 상의 지지 그리드에 의하여 기체 구획의 기체 공간과 마주하는 측면부 상에 전기 접촉된다. 따라서, 지지 그리드는 기체 구획 후벽과 전기 접촉된다.
기체 확산 전극과 기체 구획 사이의 보다 낮은 연부에서 형성될 수 있는 추가 채널은 발생할 수 있는 축합물을 수용하는 작용을 할 수 있다. 축합물은 과량의 기체와 함께 최저점에 위치하는 기체 배출구를 통해 후방 전해질 공간으로 방출될 수 있다.
바람직한 변형체에서 기체 확산 전극의 앞에 위치하는 전해질 공간에 갓 제조된 전해질을 공급할 때의 임의의 불균일화도는 전해질 공급 라인 뒤에 있는 반전지에 반전지의 폭에 걸쳐 전해질 유동을 균일화시키는 추가되는 전해질 분포기를 제공함으로써 방지될 수 있다. 이러한 실시태양에서 압력 균등 후방 공간을 통한 유동은 존재하지 않을 수 있다. 후방 공간만이 반전지의 상단부에서 전해질 유동과 접촉된다.
본 발명에 따른 반전지의 구조 모드의 하나의 구체적인 잇점은 또한 기체 구획 모듈이 대체되는 경우에 통상적인 전극, 특히 수소를 발생시키는 전극, 예를 들면 니켈 전극을 사용하여 반전지를 쉽게 작동시키는 성능이다. 그러므로, 바람직한 변형체에서 기체 구획 모듈은 통상적인 전극에 의해 대체될 수 있도록 디자인되며, 기체 구획에 대한 기체 공급 라인은 임의로 공백화되거나 제거될 수 있다.
또한, 본 발명은 기체 구획 모듈 또는 통상적인 전극, 특히 수소를 발생시키는 전극, 특히 활성 니켈 전극을 사용하여 작동시키기 위한, 전기화학 전지, 특히 전기분해 전지에서의 본 발명에 따른 전기화학 반전지의 사용에 관한 것이다.
본 발명을 하기 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 기체 확산 전극 및 이의 사이에 놓인 기체 구획용 유지 장치를 향한 이온 교환막으로부터 보여지는 본 발명에 따른 반전지의 단면도이다.
도 2는 도 1에서 라인 A-A'를 따라 닫힌 반전지의 중단된 종단면도이다.
도 3은 도 1에서 라인 A-A'를 따라 열린 반전지의 중단된 종단면도인데, 이온 교환막 및 기체 구획 모듈은 전지 하우징으로부터 제거된다.
도 4는 전기 접촉된 기체 구획의 위치를 설명하는 도 2의 상세도이다.
도 5a는 반전지의 기체 유입구 (21)을 나타내는 라인 B-B'를 따르는 단면도이다.
도 5b는 도 1에 나타난 반전지의 상부에서 라인 C-C'를 따르는 단면의 일부를 나타낸다.
도 6은 도 1의 라인 D-D'를 따르는 반전지의 부분 단면도인데, 기체 구획 모듈은 지지 구조 (31)이 있는 통상적인 니켈 전극 (30)으로 대체된다.
도 7은 니켈 전극 (30)으로 작동되는 도 6에 도시된 반전지의 변형체를 통한 도 1에서의 라인 A-A'에 상응하는 종단면도이다.
<실시예 1>
전기화학 반전지는 하기와 같은 구조를 이룬다.
마운팅 구조 (마운팅 구조란 용어는 유지 구조란 용어로도 사용될 수 있음) (11) 및 외부 전력 리드 (도시되지 않음)에 연결된 보조 구조 (12)는 전해질에 대해 불투과성인 쉘(shell)형 하우징 (13)에 고정적으로 장착된다 (도 3 참고). 기체 라인 (21) (도 1 참고), 전해질 공급 라인 (20) 및 한데 합쳐진 전해질 및 기체 배출구 라인 (22)는 하우징으로 유도된다. 기체 확산 전극 (5)를 포함하는 기체 구획 모듈 (기체 구획 유닛이라고도 함) (1)을 수직 클램핑 스트립 (8) 및 수평 클램핑 스트립 (구조 부품의 바람직한 실시태양임) (9)에 의해 하우징 (13) 내의 마운팅 구조 (11) 상에 고정시킨다. 반전지는 실 (41) (도 2 참고)을 통해 하우징 (13)의 주변 연부에 놓여지고 예를 들면, 도시되지 않은 추가 반전지의 플랜지-마운팅에 의해 하우징 (13)의 주변 연부 상의 전해질에 불투과성이 되도록 가압된 막 (40)으로 폐쇄한다. 기체 분포기로부터 출발하는 기체 유입 라인 (기체 유입구, 가요성 라인 또는 공급 라인이라고도 함) (6a), (6b), (6c), (6d) (도 1 참고)는 각각의 경우 지지체 (6e)와의 플랜지 연결을 통해 기체 구획 유닛에 연결된다.
도 1에 도시된 실시태양은 기체 유출 라인 (기체 유출 연결 부품이라고도 함) (7)을 통해 각각 압력 균등화된 네 개의 기체 구획 (2a), (2b), (2c), (2d)에 분배된다. 기체 구획 모듈 (1)은 금속 하우징 (2)를 포함하는데, 이는 전류 접촉부, 예를 들면 스프링 접촉부 (14) 또는 브러쉬 접촉부 (15)를 통해, 또는 직접 접촉 (도 4에 도시된 상세도 참고)에 의해 이미 아치형인 구조 부분 (16)에서 전류 운반 보조 구조 (12)에 연결된다. 전류의 추가되는 공급은 하우징 (2) 연부 영역을 통해 클램핑 스트립 (8), (9)와 마운팅 구조 (11) 사이의 금속 프로세스 접촉을 통해 수행된다. 접촉 저항은 표면 처리, 예를 들면 금 플레이팅에 의해 감소될 수 있다. 또한, 기체 구획 모듈 (1)은 전극 기체 유입 라인 및 유출 라인 (6e) 및 (7), 기체 확산 전극 (5) 지지용 지지 구조 (3), 및 기체 확산 전극 (5)의 전체 표면 상에 놓여지는 전극 지지 그리드 (4)를 포함한다. 네 개의 기체 구획 모듈 (1a), (1b), (1c), (1d) 각각은 기체 확산 전극 (5)를 포함하며, 이는 기체 구획 모듈 연부 영역에 기밀 방식으로 부착되고 동시에 이에 전기적으로 연결된다. 전도성 후면부를 갖는 기체 확산 전극을 사용하는 경우 전극 지지 그리드를 통해 완전 전기 접촉된다.
작동시킬 때, 도 5a에 도시된 바와 같이 전해질은 정공 (24) 및 수평 클램핑 스트립에 추가되는 정공 (10)에 의해 전해질 분포기 (23)을 통해 전해질 공급 라인 (20)으로부터 기체 확산 전극 (5)의 앞에 있는 전해질 공간 (27)로 유입된다. 전해질은 네 개의 기체 구획 모듈 (1a) 내지 (1d)에 따라 전해질 공간 (27)을 통해 유동되고 최상 수평 클램핑 스트립 (9)에 있는 정공을 통해 전해질 수거 덕트 (26)으로 유입된다. 이로부터 전해질은 정공 (25)를 통해 기체 확산 전극 뒤에 있는 후방 공간으로 유출되고 전해질 및 배출구 라인 (22), 예를 들어 다운파이프를 통해 과량의 전극 기체와 함께 반전지로부터 방출된다 (도 5b 참고). 전기분해 전지로서 작동시킬 때에는 반전지를 이온 교환막 (40)에 의해 전면부 상에서 폐쇄하는데, 이는 본 발명에 따른 반전지로부터 추가되는 연결 반전지에, 또는 임의로 역방향으로 해당 전기분해 반응에 상응하는 이온을 통과시킨다.
전극 기체는 공급 라인 (21)에서 반전지로 유입되고 기체 분포기 (19)를 통해 기체 유입 라인 (6a), (6b), (6c) 및 (6d)로 분포되고, 보다 우수한 기체 분포를 위해 개별적인 기체 구획 모듈로 제한되어 네 개의 기체 구획 모듈 (1a), (1b), (1c), (1d)로 유입된다 (도 1 참고). 전극 기체는 기체 구획을 통해 종방향으로 유동되고 소모되지 않은 과량은 발생하는 임의의 축합물과 함께 전해질 간극 내의 전해질 방향으로 기체 유출 라인 (7)을 통해 반대 단부의 기체 구획으로부터출현한다. 이에 따라 압력 균등이 실행된다. 기체 유출 라인 (7)로부터 기체 버블은 기체 구획 모듈 뒤에 놓인 공간을 통해 상류되고 전해질 및 기체 배출구 라인 (22) 단부 위의 공간에 수거된다. 이로부터 기체는 다운파이프 (22)를 통해 반전지로부터 방출된다.
<실시예 2>
통상적인 전극으로 작동시키기 위하여 기체 구획 모듈 (1a) 내지 (1d)는 클램핑 스트립 (8) 및 (9)와 함께 도 3에 제시된 바와 같이 제거될 수 있고, 전력 리드 및 지지체로서 작용하는 보조 구조 (31)을 포함하는 니켈 양전극 (30)에 의해 대체될 수 있다. 기체 유입 라인 (6a) 내지 (6d)는 가장 유용하게는 폐쇄된다. 통상적인 전극, 예를 들면 활성 니켈 전극은 나사로 조여진 연결부 (32)에 의해 반전지 마운팅 구조 (11)에 고정된다 (도 6 및 도 7 참고). 전극 반응에서 형성된 수소는 다운파이프 (22)를 통해 배출되는 전해질과 함께 방출될 수 있다.

Claims (11)

  1. 기체 확산 전극을 위한, 하나 이상의 기체 구획 (2a, 2b, 2c, 2d)로부터 형성되는 기체 공간을 가지고, 이온 교환막 (40), 마운팅 구조 (11), 기체 유입구 (21) 및 전해질 및 기체 배출구 라인 (22), 전해질 공급 라인 (20) 및 하우징 (13)을 갖는 양극 또는 음극으로서의 기체 확산 전극 (5) 기재의 전기화학 반전지에 있어서, 기체 확산 전극 (5)이 상기 기체 구획 모듈 또는 기체 구획 모듈들 (1a, 1b, 1c, 1d)에 결합되어 마운팅 구조 (11)에 분리 가능하게 고정되는 하나의 모듈 또는 다수의 모듈 (1a, 1b, 1c, 1d)를 형성하며, 상기 기체 유입구 (21) 및 전해질 및 기체 배출구 라인 (22)가 기체 구획 (2a, 2b, 2c, 2d)와의 분리 가능한 연결부를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 반전지.
  2. 제1항에 있어서, 기체 공간을 서로 독립적으로 기체가 임의로 공급되고 전해질 공간 (27)에 대해 압력 균등인 다수의 기체 구획 모듈 (1a, 1b, 1c, 1d)로 분배하는 것을 특징으로 하는 반전지.
  3. 제2항에 있어서, 기체 구획 모듈 (1a, 1b, 1c, 1d)를 서로 독립적으로 유지 구조 (11)에 분리 가능하게 고정하는 것을 특징으로 하는 반전지.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 유입 라인 (6a, 6b, 6c, 6d)가 기체 구획 (2a, 2b, 2c, 2d)에 대한 가요성 호스 연결부로서 구성되는 것을 특징으로 하는 반전지.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 구획 모듈 (1a, 1b, 1c, 1d)를 전기 접촉시키고 구조 부품 (9)를 통해 반전지 내의 유동에 대하여 임의로 밀봉되도록 위치시키며, 구조 부품이 임의로 동시에 활성 유동이 발생하는 전해질 간극을 형성하는 것을 특징으로 하는 반전지.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 구획 모듈 (1a, 1b, 1c, 1d)를 접촉 부품 (14, 15, 16)을 통해 보조 구조 (12)에 전기 접촉되도록 위치시키는 것을 특징으로 하는 반전지.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 확산 전극 (5)를 기체 구획 (2a, 2b, 2c, 2d) 내부 공간 내의 지지 그리드 (4) 상에 표면 전기 접촉시키는 것을 특징으로 하는 반전지.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전지가 전해질 공간 (27)로의 전해질 균일 공급용 전해질 분포기 (23)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반전지.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 구획 모듈 (1a, 1b, 1c, 1d)를 통상적인 전극 (30)으로 대체시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 반전지.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 기체 확산 전극 (5)를 모듈 (1a) 내지 (1d)에 분리 가능하게 결합시키는 것을 특징으로 하는 반전지.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 반전지를 포함하는, 기체 구획 모듈 (1a, 1b, 1c, 1d)를 사용하거나 통상적인 전극 (30)을 사용하여 작동시키기 위한 전기화학 전지.
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