KR102500973B1

KR102500973B1 - 전극구조체

Info

Publication number: KR102500973B1
Application number: KR1020180048668A
Authority: KR
Inventors: 쯔요시 히라이시; 타카유키 시마무네
Original assignee: 가부시키가이샤 오사카소다
Priority date: 2017-04-28
Filing date: 2018-04-26
Publication date: 2023-02-17
Also published as: JP2018188679A; KR20180121397A; JP6911491B2; CN108796591A; CN108796591B

Abstract

본 발명은 전극구조체 자체의 온도 상승에 의한 영향을 완화함으로써, 전극구조체의 열화를 억제하고, 나아가서는 전극 수명이 긴 전극구조체를 제공한다. 접속부(4) 이외의 전극판(2)과 급전체(3)와의 사이로 전해액이 통액할 수 있는 간극(C1)을 형성하고, 그 간극(C1)을 전해액이 통액함으로써 전극판(2)을 표리 양면에서 냉각함과 함께, 접속부(4)도 냉각할 수 있도록 하였다.

Description

전극구조체{ELECTRODE STRUCTURE}

본 발명은, 전극구조체에 관한 것이다.

종래, 고속 아연 도금 등의 고속 전해 도금이나 전해에서는, 전극판을 세그먼트화하여 이를 복수 지지판(급전체)에 고정하여 이루어지는 전극구조체를 사용함으로써, 접촉 등의 사고가 발생한 경우도 부분적 보수만으로 해결할 수 있도록 하고 있다. 전극판의 세그먼트는, 접속부를 개재하여 급전체에 접속되나, 전해 시에 예를 들어 전류 밀도 100A／dm²∼300A／dm²의 대전류를 흐르게 하면, 이러한 접속부에는, 상대적으로 대전류가 흐르게 된다. 이 경우, 접속부의 전기 저항이 높으면 발열량이 과대해져, 전극판, 나아가서는 전극구조체의 열화의 원인이 될 우려가 있다.

예를 들어, 특허문헌 1에서는, 전극판과 급전체 간의 접속부에 납판을 사이에 배치하는 기술이 개시되어 있다. 납판을 사이에 배치함으로써, 전극판과 급전체의 접촉이 보다 긴밀해져 전기 저항의 증대를 방지하여 발열을 억제할 수 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개 평7－331495호 공보

그러나, 특허문헌 1은 건조 상태에서 사용할 때에는 매우 유효하게 기능하나, 황산액과 같은 액 안에 침지되었을 경우에는 절연성의 황산납을 생성하거나, 통전에 의해 부분적이기는 하나 전해에 기여하여 버려 납 그 자체가 소모되는 문제가 있었다.

그래서 본 발명에서는, 전극구조체 자체의 온도 상승에 의한 영향을 완화함으로써, 전극구조체의 열화를 억제하고, 나아가서는 전극 수명이 긴 전극구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 접속부 이외의 전극판과 급전체와의 사이로 전해액이 통액(通液)할 수 있는 간극을 형성하고, 그 간극을 전해액이 통액함으로써 전극판을 표리 양면에서 냉각함과 함께, 접속부도 냉각할 수 있도록 하였다.

즉, 여기에 개시하는 전극구조체는, 티탄 또는 티탄 합금을 기재로 하는 전극판과, 상기 전극판을 지지하는 급전체를 구비하고, 상기 전극판과 상기 급전체는, 접속부를 개재하여 밀착 고정되며, 전해액에 침지했을 때, 상기 접속부 이외의 상기 전극판과 상기 급전체와의 사이로 당해 전해액이 통액할 수 있게 되도록, 상기 전극판과 상기 급전체와의 사이에 간극이 형성되고, 상기 전극판과 상기 급전체와의 상기 간극은 1㎜ 이상 20㎜ 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명자들은, 예를 들어 고속 아연 도금라인에서는, 도 12에 나타내는 바와 같이, 전해액의 온도, 즉 전해 온도가 60℃를 넘어 상승하면, 전극판의 전극 수명은 저하되고, 70℃ 이상에서는 전극 수명은 절반 미만으로까지 저하되는 것을 발견하였다. 전해 시 전극구조체의 온도 상승은, 주로 전극판의 전극 표면의 전극 반응에 따른 과전압, 전극판, 급전체 및 이들 접속부의 전기저항에 기인하는 발열에 의해 일어날 수 있다. 고속 아연 도금라인에서는, 전해액의 온도는 통상 60℃ 정도로 일정하게 유지되나, 전극구조체의 발열량이 커짐으로써, 전극구조체 자체의 온도가 전해액의 60℃ 정도보다도 높아져, 전극구조체의 열화가 촉진될 우려가 있다.

상기 구성에 따르면, 접속부 이외의 전극판－급전체 사이로 전해액이 통액할 수 있게 되도록 간극이 형성되므로, 전극구조체를 전해액에 침지했을 때, 전해액이 전극판－급전체 사이로 유입되고, 전극판－급전체 사이 공간에 전해액의 흐름이 발생한다. 그렇게 되면, 전해액에 의해, 전극판 자체가 표리 양면에서 냉각되므로, 전극판의 냉각 면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 전극판－급전체 사이 공간에 전해액의 흐름이 발생함으로써, 접속부 주변에도 전해액의 흐름이 발생하여, 발열량이 높은 접속부도 냉각된다. 또한 급전체의 냉각도 촉진시킬 수 있다. 따라서, 전극판의 과열을 방지하여 전극판 온도를 전해액과 동일한 정도의 온도 근방까지 저하시킬 수 있어, 나아가서는 전극구조체의 전극 수명을 연장시킬 수 있다.

그리고, 간극의 크기는 접속부의 길이에 의해 조정되나, 접속부의 길이가 길어질수록 접속부의 전기 저항이 커져, 발열량이 상승한다. 간극의 크기를 상기 범위로 함으로써, 접속부의 전기 저항의 상승을 억제하여, 발열량을 억제하면서, 전극판－급전체 사이로 흘러 들어가는 전해액량을 확보하고, 전극판 및 접속부를 충분히 냉각할 수 있다.

바람직한 양태로는, 상기 전극판은, 복수로 분할된 복수의 세그먼트 전극판으로 이루어지고, 인접하는 상기 세그먼트 전극판 사이에는 1㎜ 이상 3㎜ 이하의 간격이 형성된다.

본 구성에 의하면, 인접하는 세그먼트 전극판 사이에도 간격을 형성함으로써, 전해액의 흐름이 세그먼트 전극판 사이에도 발생한다. 따라서, 전극판이나 접속부의 냉각이 촉진되어, 전극판의 과열을 방지하여 전극 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있다.

바람직한 양태로는, 상기 전극판은, 복수로 분할된 복수의 세그먼트 전극판으로 이루어지고, 상기 접속부는, 상기 세그먼트 전극판 및 상기 급전체의 적어도 한쪽에 형성된 볼록형상부와, 상기 볼록형상부에서 상기 전극판과 상기 급전체를 장착 고정하는 장착부재를 구비한다.

본 구성에 의하면, 전극판을 복수로 분할함으로써, 전극판의 수리 교환 등 유지 관리성이 향상된다. 또한, 접속부를 볼록형상부로 함으로써, 전극판－급전체 사이로 유입된 전해액이 접속부 주변으로 흘러, 접속부를 효과적으로 냉각할 수 있다.

상기 장착 부재는, 볼트인 것이 바람직하다. 이에 의해, 전극판과 급전체를 확실하게 밀착 고정시킬 수 있다.

또한, 상기 급전체를 개재하여 상기 전극판에 정격전류로 통전했을 때, 상기 접속부의 전류 밀도는, 0.3A／㎟ 이상 1.0A／㎟ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 전해에 필요한 전류량을 확보하면서, 통전에 따른 접속부의 발열량이 과대해지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 바람직한 양태로는, 상기 접속부의 통전 방향에 수직인 단면의 형상은, 상기 급전체에 상기 전극판을 장착 고정한 상태에서 상기 전해액에 침지했을 때 상기 간극에 통액되는 전해액의 흐름이 층류가 되는 형상이다. 이에 의해, 접속부 주변의 전해액 흐름에 난류가 발생하지 않으므로, 접속부 주변의 전해액의 흐름이 촉진되어, 높은 냉각 효과를 얻을 수 있다.

상기 접속부에서의 상기 전극판 및 상기 급전체의 접촉면은 백금족 금속에 의해 피복되는 것이 바람직하다. 본 구성에 의해, 접촉면의 전기 저항을 저하시킬 수 있어, 접속부의 발열량을 저감시킬 수 있다.

또한, 바람직한 양태로는, 상기 접속부에서의 상기 전극판 및 상기 급전체는, 와셔를 개재하여 접합된다. 본 구성에 의하면, 내식성을 갖고 또한 금속제의 와셔를 전극판 및 급전체의 접촉면 사이에 배치함으로써, 접속부의 강도를 높일 수 있다.

상기 와셔가 표면에 백금을 피복한 탄탈로 이루어지는 것이 바람직하다. 본 구성에 의하면, 전극판 및 와셔의 접촉면이나, 급전체 및 와셔의 접촉면의 발열을 억제할 수 있다.

이들 전극구조체는, 전해도금용 양극으로서 적합하게 사용할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 접속부 이외의 전극판－급전체 사이로 전해액이 통액할 수 있게 되도록 간극이 형성되므로, 전극구조체를 전해액에 침지했을 때, 전해액이 전극판－급전체 사이로 유입되고, 전극판－급전체 사이 공간에 전해액의 흐름이 발생한다. 그렇게 되면, 전해액에 의해, 전극판 자체가 표리 양면에서 냉각되므로, 전극판의 냉각 면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 전극판－급전체 사이 공간에 전해액의 흐름이 발생함으로써, 접속부 주변에도 전해액의 흐름이 발생하여, 발열량이 높은 접속부도 냉각된다. 또한 급전체의 냉각도 촉진시킬 수 있다. 따라서, 전극판의 과열을 방지하여 전극판 온도를 전해액과 동일한 정도의 온도 근방까지 저하시킬 수 있어, 나아가서는 전극구조체의 전극 수명을 연장시킬 수 있다.

도 1은, 제 1 실시형태에 따른 전극구조체의 평면도이다.
도 2는, 도 1의 전극구조체의 II－II선의 종단면도이다.
도 3은, 도 1의 전극구조체에서, 세그먼트 전극판을 전극 이면측에서 본 도이며, 접속부 주변의 전해액 흐름을 모식적으로 나타내는 도이다.
도 4는, 제 2 실시형태에 따른 전극구조체의 일례의 세그먼트 전극판과 급전체의 접속부를 나타내는 종단면도이다.
도 5는, 제 2 실시형태에 따른 전극구조체의 일례의 도 4에 상당하는 도이다.
도 6은, 제 3 실시형태에 따른 전극구조체의 도 4에 상당하는 도이다.
도 7은, 전극 표면 온도 측정 시험 2에 사용한 전극구조체의 평면도이다.
도 8은, 도 7의 전극구조체의 VIII－VIII선의 종단면도이다.
도 9는, 전극 표면 온도 측정 시험 3에 사용한 전극구조체의 평면도이다.
도 10은, 도 9의 전극구조체의 X－X선의 종단면도이다.
도 11은, 전극 표면 온도 측정 시험 3의 전극판－급전체 간 거리와 전극 표면 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는, 전해 온도와 전극 수명의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 이하의 바람직한 실시형태의 설명은, 본질적으로 예시에 지나지 않으며, 본 발명, 그 적용물 또는 그 용도를 제한하는 것을 의도하는 것은 전혀 아니다.

(제 1 실시형태)

＜전극구조체 및 그 제조방법＞

도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 제 1 실시형태에 따른 전극구조체(1)는, 전극판(2)과, 당해 전극판(2)을 지지하는 급전체(3)를 구비한다.

전극구조체(1)는, 아연, 크롬, 주석 등의 고속 전해 도금용 양극으로서 사용된다. 그리고, 전극구조체(1)는, 고속 전해 도금에 한정되지 않고, 다른 전해용 전극, 액 중에 박(foil) 등으로의 급전체, 표면 산화 처리 등의 음극 등으로서 사용할 수 있다.

전극판(2)은, 급전됨으로써 그 전극 표면(21A)에서 전해 반응을 진행시키는 역할을 갖는다. 전극판(2)은, 복수로 분할된 복수의 세그먼트 전극판(21)이 집합하여 구성된다. 전극판(2)은, 분할되지 않은 것이어도, 분할된 것이어도 되나, 수리 교환 등 유지 관리성의 관점에서, 분할되어 복수의 세그먼트 전극판이 집합되어 이루어져, 급전체(3)에 탈착 가능하게 장착 고정된 구성으로 하는 것이 바람직하다. 전극판(2)의 전극 표면의 표면적, 세그먼트 전극판(21)의 크기, 형상, 두께, 장수 등은, 전극구조체(1)의 사용 용도에 따라 적절히 변경될 수 있는 것이고, 특별히 한정되는 것이 아니다.

세그먼트 전극판(21)은, 기재와, 그 기재의 편면에 전극물질로 이루어지는 전극피막이 형성되어 이루어지는 전극 표면(21A)을 구비한다. 기재는, 전해액으로서 강산성액을 사용할 경우라도 내식성이 우수한 티탄 또는 티탄 합금제이다. 티탄은 예를 들어 JIS 1종, 2종, 티탄 합금은 예를 들어 Ti／Pd 합금 등을 사용할 수 있다. 전극물질은, 특별히 한정되는 것이 아니나, 전극 표면(21A) 상의 반응 촉진 관점에서, 예를 들어 Ir／Ta산화물, Pt, Pt／Ir합금, Pt／Ir산화물 등이다. 전극피막의 형성 방법은, 특별히 한정되는 것이 아니나, 증착, 도금, 열분해, CVD 등에 의해 형성된다.

급전체(3)는, 전극판(2)을 지지함과 함께, 급전체(3)의 배면에 접속된 급전케이블을 통해 전극판(2)에 전기를 공급하기 위한 것이다. 급전체(3)는, 일반적으로 사용되는 재질의 것을 적절히 채용할 수 있으나, 적어도 그 표면의 전해액에 접촉하는 부분은 전해액에 대해 내식성의 금속제이다. 금속은, 예를 들어, 티탄, 티탄 합금, 지르코늄, 니오브, 탄탈을 들 수 있고, 바람직하게는 티탄 또는 티탄 합금제이다. 티탄 또는 티탄 합금으로는, 구체적으로 전극판(2)의 기재와 마찬가지의 것을 사용할 수 있다. 급전체(3)의 크기, 형상, 두께, 장수 등은, 전극구조체(1)의 사용 용도에 따라 적절히 변경될 수 있는 것이고, 특별히 한정되는 것이 아니며, 예를 들어 1장으로 이루어지는 판과 같은 구성으로 하는 것도 가능하고, 복수의 세그먼트 전극판(21)을 구비한 급전체(3)를 복수장 나열하여 전극구조체(1)를 구성하는 것도 가능하다.

세그먼트 전극판(21)과 급전체(3)는, 접속부(4)를 개재하여 밀착 고정된다.

접속부(4)는, 급전체(3)에 공급된 전기를 세그먼트 전극판(21)으로 통전시키는 역할을 갖고, 도 2에 나타내는 바와 같이, 세그먼트 전극판(21)에 형성된 전극판 보스부(41A)(볼록형상부)와, 전극판 보스부(41A)에서 세그먼트 전극판(21)과 급전체(3)를 장착 고정하는 볼트(43)(장착부재)를 구비한다.

전극판 보스부(41A)의 중앙 근방에는, 볼트(43)를 삽입 관통시키기 위한 볼트 삽입 관통공(42)이 형성된다. 세그먼트 전극판(21)과 급전체(3)는, 전극판측 접촉면(44)(접촉면)과 급전체측 접촉면(45)(접촉면)에 의해 서로 접촉한다.

전극판측 접촉면(44) 및 급전체측 접촉면(45)(이하, “접촉면(44, 45)”으로 칭하는 경우가 있음)은, 전기 저항을 저감시키는 관점에서, 연마기에 의해 기계 가공된다. 그리고, 접촉면(44, 45)의 적어도 한쪽, 보다 바람직하게는 그 양 쪽은, 예를 들어 Pt, Pd 등의 백금족 금속에 의해 피복되는 것이 바람직하다. 본 구성에 의해, 접촉면(44, 45)의 전기 저항을 저하시킬 수 있다. 따라서, 통전 시 접속부(4)의 발열량을 저감시킬 수 있다. 그리고, 세그먼트 전극판(21)의 전극 이면(21B) 및 급전체(3)의 급전체 표면(3A)은, 기계 가공되어도 되고, 기계 가공되지 않아도 된다.

급전체측 접촉면(45)의 중앙 근방, 즉 접촉면(44, 45)이 서로 접촉했을 때 볼트 삽입 관통공(42)에 대응하는 위치에는, 볼트공(46)이 천공 형성된다.

세그먼트 전극판(21)은, 볼트 삽입 관통공(42)에 삽입 관통된 볼트(43)에 의해 급전체(3)의 볼트공(46)에 장착 고정된다. 이 때, 복수의 세그먼트 전극판(21)은, 급전체(3)를 기준으로 상술한 전극 표면(21A)의 높이가 동일하게 되도록 급전체(3)에 장착된다.

급전체(3)에 세그먼트 전극판(21)을 장착 고정하는 방법은 특별히 한정되는 것이 아니며, 일반적인 어느 방법도 채용할 수 있으나, 세그먼트 전극판(21)과 급전체(3)를 확실히 밀착 고정시키는 관점에서, 볼트 체결이 바람직하다. 본 명세서에서, “볼트 체결”이란, 도 2에 나타내는 바와 같이, 전극 표면(21A)측에서 볼트(43)에 의해 급전체(3)에 고정되는 구성 외에도, 급전체(3)측에서 볼트에 의해 세그먼트 전극판(21)에 고정하는 구성도 포함한다. 또한, 예를 들어 세그먼트 전극판(21) 또는 급전체(3)에 스터드 볼트를 배치하고, 급전체(3) 또는 세그먼트 전극판(21)에 고정하는 구성으로 하여도 된다. 이들을 총칭하여, “볼트 체결”이라 칭한다.

볼트(43)의 재질은, 전해액에 대해 내식성의 금속제이고, 바람직하게는 티탄 또는 티탄 합금제이다. 티탄 또는 티탄 합금은, 구체적으로는 전극판(2)의 기재와 마찬가지의 것을 사용할 수 있다.

접속부(4)의 발열량을 억제함과 함께, 전해액에 의한 냉각을 촉진시키는 관점에서, 접속부(4)는 얇은 쪽이 바람직한 반면 전류 밀도의 관점에서는 굵은 쪽이 바람직하다. 접속부(4)의 직경은, 인가되는 전류값에 따라 변동하나, 예를 들어 정격전류(전류 밀도 약 100A／dm²∼약 500A／dm²)로 통전했을 때, 세그먼트 전극판(21)에 충분한 급전량을 확보하면서 접속부(4)의 발열량을 억제하는 관점에서, 접속부(4)의 전류 밀도가 바람직하게는 0.3A／㎟ 이상 1.0A／㎟ 이하, 보다 바람직하게는 0.55A／㎟ 이상 0.75A／㎟ 이하가 되는 직경이다.

여기서, 본 실시형태에 따른 전극구조체(1)는, 세그먼트 전극판(21)과 급전체(3)와의 사이에 간극(C1)이 형성되는 것을 특징으로 한다. 간극(C1)이 존재함으로써, 전극구조체(1)를 전해액에 침지했을 때, 접속부(4) 이외의 세그먼트 전극판(21)과 급전체(3)와의 사이로 전해액이 통액할 수 있게 되어, 도 2 및 도 3 중 화살표로 나타내는 바와 같이, 세그먼트 전극판(21)－급전체(3) 사이 및 접속부(4) 주변에 전해액의 흐름이 발생한다. 그렇게 되면, 전해액에 의해, 세그먼트 전극판(21) 자체가 표리 양면에서 냉각되므로, 세그먼트 전극판(21)의 냉각 면적을 증대시킬 수 있다. 또한, 접속부(4) 주변의 전해액 흐름에 의해, 발열량이 큰 접속부(4)도 냉각된다. 따라서, 세그먼트 전극판(21)의 과열을 방지하여 세그먼트 전극판(21), 나아가서는 전극판(2) 전체의 전극 표면 온도를 전해액과 동일한 정도의 온도까지 저하시킬 수 있어, 전극구조체(1)의 전극 수명을 연장시킬 수 있다. 그러나, 예를 들어 특허문헌 1에 기재된 바와 같은 종래의 전극구조체에서는, 전극판과 급전체와의 접속부 이외의 전극판－급전체 사이에는, 전해액의 침입을 방지하는 관점에서 간극은 형성되지 않거나, 또는 형성되어 있다고 하더라도 통상 0.5㎜ 이하 정도의 아주 작은 간극이 형성될 뿐이다. 아주 작은 간극은, 전해액 안의 불순물 등이 전극판－급전체 간 사이에 끼어 쇼트 등으로 인해 전극이 파손되지 않도록 하기 위한 것이나, 이와 같은 아주 작은 간극으로는, 전해액은 침입하는 경우가 있어도 흐름을 일으킬 정도의 액량의 침입은 발생하지 않는다.

세그먼트 전극판(21)과 급전체(3)와의 간극(C1)은, 바람직하게는 1㎜ 이상 20㎜ 이하이다. 간극(C1)이 1㎜ 미만에서는, 전해액이 원활하게 흐르기 어렵게 되어, 냉각 효과가 작아질 우려가 있다. 또한, 간극(C1)이 20㎜를 초과하면, 접속부(4)의 길이가 길어짐으로써 접속부(4)의 전기 저항이 커져, 접속부(4)의 발열량이 지나치게 상승할 우려가 있다. 또한, 전극구조체(1)를 설치하는 전해조 등의 장치의 컴팩트화 관점에서, 간극(C1)의 크기는, 3㎜ 이상 10㎜ 이하인 것이 보다 바람직하다.

인접하는 세그먼트 전극판(21)은 서로 접촉하도록 배치하여도 되나, 예를 들어 도 1 및 도 2에 기재한 바와 같이, 세그먼트 전극판(21)과 급전체(3)와의 간극(C1)과 더불어, 인접하는 세그먼트 전극판(21) 사이에도 간격(C2)을 형성하는 구성으로 하여도 된다. 간격(C2)을 형성함으로써, 도 2에 화살표로 나타내는 바와 같이, 세그먼트 전극판(21) 사이에도 전해액의 흐름이 발생한다. 따라서, 전극판(2)이나 접속부(4)의 냉각이 촉진되어, 전극판(2)의 과열을 방지하여 전극 수명을 효과적으로 연장시킬 수 있다. 간격(C2)의 크기는, 바람직하게는 1㎜ 이상 3㎜ 이하로 할 수 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 간격(C2)은, 제 1 간격(C21)과 제 2 간격(C22)으로 나뉜다. 간격(C2) 중, 제 1 간격(C21) 및 제 2 간격(C22)의 적어도 한쪽은 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 전극구조체(1)를 금속판재의 도금용 양극으로서 사용할 경우에는, 피도금재인 금속판재의 흐름 방향과 수직방향은 1㎜ 이상 3㎜ 이하의 간격(C2)을 형성함으로써, 전해액이 퍼져, 냉각 효과가 확대된다. 또한, 피도금재인 금속판재의 흐름 방향과 병행방향의 간극은 형성하여도 되나, 도금강판의 도금 두께가 불균일해질 우려가 있으므로, 전극판 간의 배치를 고려하여 간격(C2)을 형성하는 것이 바람직하다.

그리고, 접속부(4)의 형상은, 특별히 한정되는 것이 아니나, 접속부(4)의 발열이 커 접속부(4)의 냉각이 보다 중요한 점에서, 접속부(4) 주변에 전해액이 충분할 정도로 공급되어, 또한 가능한 한 빠른 속도로 흐르는 것이 중요하다. 따라서, 접속부(4) 주변에서는 전해액은 층류로 되는 것이 바람직하고, 이를 위해서는 접속부(4)에는 모서리부나 변형부가 최소한으로 되는 것이 바람직하다. 즉, 도 3에 나타내는 바와 같이, 접속부(4)의 통전 방향에 수직인 단면의 형상이 모서리를 갖지 않는 원형, 타원형상 등인 것이 바람직하고, 즉 접속부(4)는 원주상이나 타원주상인 것이 바람직하다. 이에 의해, 접속부(4) 주변의 전해액 흐름에는 난류가 발생하지 않고, 층류가 되어, 접속부(4) 주변의 전해액 흐름이 촉진되어, 높은 냉각 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 전극구조체(1)의 전극 표면 온도는, 전극 수명을 연장시키는 관점에서, 전해액의 온도와의 차이가 바람직하게는 6℃ 미만, 보다 바람직하게는 5.5℃ 이내, 특히 바람직하게는 5℃ 이내가 되는 온도인 것이 바람직하다.

＜전해조 및 전해 조건＞

전극구조체(1)를 도금용 양극으로서 사용할 경우, 전극구조체(1)를 양극, 피도금재(도시않음)를 음극으로 하고, 전해조(도시않음) 안에 배치한다. 피도금재는, 예를 들어 철, 강판, 구리, 니켈 등의 도전성 금속의 코일, 판, 와이어 등이다. 양극－음극 간 거리는, 도금 조건에 따라 적절히 변경될 수 있으나, 예를 들어 10㎜∼50㎜로 할 수 있다. 또한, 급전체 이면(3B)에는 통전케이블(도시않음)이 장착된다. 전해액의 종류, 농도, 액량 등의 조건은, 일반적으로 사용되는 전해액의 조건을 사용할 수 있으나, 전극구조체(1)의 사용 용도에 따라 적절히 변경될 수 있다. 그리고, 전해액의 온도는, 예를 들어 전해액을 전해조와 전해조 밖에 설치된 히터 장치 간을 순환시킴으로써, 원하는 온도를 유지할 수 있고, 예를 들어 고속 아연 도금일 경우, 약 60℃로 유지할 수 있다. 전해 조건은, 전극구조체(1)의 사용 용도에 따라 적절히 변경될 수 있으나, 예를 들어 고속 아연 도금의 전해 조건은, 전류 밀도 100A／dm²∼500A／dm²로 할 수 있다.

＜전극 수명＞

본 실시형태에 따른 전극구조체(1)를 전해도금용 양극으로서 사용한 경우, 그 전극 수명은, 간극(C1)을 형성하지 않은 전극구조체(1)를 사용한 경우와 비교하여, 1.5배 이상, 보다 바람직하게는 2배 이상 연장될 수 있다.

(제 2 실시형태)

이하, 본 발명에 따른 다른 실시형태에 대해 상세히 서술한다. 그리고, 이들의 실시형태의 설명에서, 제 1 실시형태와 동일 부분에 대해서는 동일 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다.

제 1 실시형태에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 세그먼트 전극판(21)측에 전극판 보스부(41A)를 형성하는 구성이었으나, 도 4에 나타내는 바와 같이, 급전체(3)측에 급전체 보스부(41B)를 형성하는 구성으로 하여도 된다. 또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 세그먼트 전극판(21) 및 급전체(3) 양 쪽에 각각 전극판 보스부(41A) 및 급전체 보스부(41B)를 형성하는 구성으로 하여도 된다. 도 4, 도 5 어느 구성에서도 세그먼트 전극판(21) 및 급전체(3)는 접촉면(44, 45)에서 접촉한다.

(제 3 실시형태)

제 1 및 제 2 실시형태에서는, 세그먼트 전극판(21) 및 급전체(3)는, 접촉면(44, 45)에서 서로 접촉하는 구성이었으나, 접속부(4)의 강도를 높이는 관점에서, 도 6에 나타내는 바와 같이, 전극판측 접촉면(44)과 급전체측 접촉면(45)과의 사이에 와셔(48)를 개재하여 양자를 접합하는 구성으로 하여도 된다. 이 경우, 접촉면(44, 45)은 각각 와셔(48)의 표면과 접촉하므로 접촉면이 증가하기 때문에, 이들 접촉면에서의 발열을 억제하도록, 볼트 체결 시 표면이 약간 변형하는, 예를 들어, 탄탈과 같은 유연성을 갖고 또한 내식성의 금속제 와셔(48)를 사용하는 것이 바람직하다. 와셔(48)는, 금속은 구체적으로는 예를 들어 Ta나 Ta／Nb합금, 백금, 팔라듐, 금 등의 백금족 금속을 사용할 수 있다. 와셔(48)의 표면에는, 예를 들어 백금 피막을 형성하는 등의 통전 유지 처리를 행하는 것이 바람직하다.

실시예

다음으로, 구체적으로 실시한 실시예에 대해 설명한다.

(전극 표면 온도 측정 시험 1)

＜실시예 1＞

전극판(2)으로서, 세로 200㎜×가로 200㎜, 두께 15㎜의 티탄판의 편면에 Ir／Ta산화물로 이루어지는 두께 약 20㎛의 전극 피복을 행하여 전극 표면으로 한 것을 사용하였다. 또한, 급전체(3)로서, 세로 200㎜×가로 200㎜, 두께 30㎜의 티탄판을 사용하였다. 접속부(4)로서, 급전체(3)의 중앙에 직경 55㎜, 높이 3㎜의 급전체 보스부를 형성하고, 그 중앙에 M12 볼트 체결용 볼트공을 형성함과 함께, 볼트공 이외의 표면을 기계 가공하여 평탄화하고, 두께 0.1㎛의 백금 도금을 행하여 급전체측 접촉면을 얻었다. 또한, 전극판(2)의 전극 이면은, 기계 가공하여 평활하게 하였다. 그리고, 전극판(2)의 중앙부에는 급전체 장착용 볼트 삽입 관통공을 형성하였다. 전극판(2)은 볼트 삽입 관통공에 삽입 관통된 M12 티탄 볼트에 의해 급전체(3)의 급전체 보스부에 장착 고정하였다. 여기서, 전극판(2)－급전체(3) 간 거리는 3㎜이다.

그리고, 전극판(2)의 전극 표면의 볼트 위치 근방에 PR열전대를 용접하고, 용접부를 에폭시 수지로 실링하였다.

이와 같이 하여 준비한 전극구조체(1)를 양극이며 상전극, 세로 200㎜×가로 200㎜의 지르코늄판을 음극이며 하전극으로 하고, 극간 20㎜를 두고 서로 평행하게 배치함과 함께, 양극 급전체(3)의 상부가 10㎜ 밖으로 나오도록 하여, 전해조에 설치하였다. 그리고, 급전체(3) 이면에는 통전케이블을 장착한다. 전해액으로서 150g／L 황산 수용액을 사용하고, 전해액 온도를 60℃로 하였다. 여기서 전해액량은 50L로 하였다. 액은 히터 부분 간을 순환시켜 60℃로 온도를 유지하도록 하였다. 그리고, 전류량 1000A(전류 밀도 250A／dm²)로 전해를 행하여, 전극 표면 온도를 측정하였다. 또한, 접속부의 전류 밀도는 0.42A／㎟에 상당하였다. 전해 시간 20분으로, 전극 표면 온도는 거의 일정하게 되어, 그 때의 전극 표면 온도를 측정값으로 하였다.

＜비교예 1＞

급전체의 전극 고정 부분이 평탄하고 전극 이면과 함께 급전체 전극 고정부 전면을 기계 가공하여, 동일하게 M12 볼트로 고정한 전극 구조체를 준비한 것 이외에는, 실시예 1과 마찬가지의 방법으로 측정하였다.

＜결과 및 고찰＞

실시예 1 및 비교예 1 모두 전해액 온도는 60℃이다.

그리고, 실시예 1에서는, 전극 표면 온도의 측정값은 62℃이고, 전해액 온도와 거의 동일한 온도인 것을 알 수 있었다.

한편, 비교예 1에서는, 전극 표면 온도의 측정값은 66℃이고, 전해액 온도보다 6℃ 높은 것을 알 수 있었다. 비교예 1의 구성에서는, 전극 이면 및 접속부 주변의 전해액 흐름이 억제되므로, 전극판 이면측에서 냉각이 이루어지지 않고, 전해액에 노출되는 전극 표면 편측에서만 냉각이 이루어지므로, 전극판의 냉각이 불충분해진 것으로 생각된다.

(전극 표면 온도 측정 시험 2)

＜비교예 2＞

도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 세그먼트 전극판(21)으로서, 세로 100㎜×가로 100㎜, 두께 15㎜의 티탄판의 편면에 Ir／Ta산화물로 이루어지는 두께 약 20㎛의 전극 피복을 행하여 전극 표면(21A)을 형성한 것을 4장 준비하였다. 이 세그먼트 전극판의 전극 이면 중앙에, 접속부(4)를 형성하므로, 직경 25㎜ 높이 2㎜의 전극판 보스부를 형성하고, 그 전극판 보스부 중앙에 M10 티탄 볼트 체결용 볼트 삽입 관통공을 형성하였다. 전극판 보스부의 볼트 삽입 관통공 이외의 표면을 기계 가공하여 평활화하여 전극판측 접촉면을 얻었다.

한편, 급전체(3)로서 세로 210㎜×가로 210㎜, 두께 30㎜의 티탄판을 사용하였다. 접속부(4)를 형성하기 위해, 이 티탄판의 편면에, 전극판 보스부가 배치되는 위치에 맞춰 직경 26㎜, 높이 2㎜의 급전체 보스부를 4곳 형성하였다. 급전체 보스부 중앙에 직경 12㎜의 볼트공을 형성함과 함께, 볼트공 이외의 표면을 기계 가공에 의해 평활화하여 급전체측 접촉면을 얻었다.

도 7 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 상술한 4장의 세그먼트 전극판을 M10 볼트(43)에 의해 장착 고정하여 전극구조체(1)를 얻었다. 그리고, 이 때 장착된 4장의 세그먼트 전극판(21)은 서로 평행하고, 인접하는 세그먼트 전극판(21) 사이의 간격이 2㎜가 되도록 하였다. 그리고, 세그먼트 전극판(21)과 급전체(3)와의 거리는 4㎜이다.

다음으로, 4장의 세그먼트 전극판(21)과 급전체(3)와의 사이에 배치함으로써 전극판－급전체 사이의 간극(C1)을 메울 수 있는 PTFE판(도시않음)을 준비하였다. 또한, 인접하는 세그먼트 전극판(21) 사이의 간격(C2)을 메울 수 있는 PTFE판(도시않음)을 준비하였다.

상기 전극구조체(1)에 대해, 간극(C1) 그리고 간격(C2)을 모두 메워 양극으로 하고, 실시예 1과 동일한 전해조에 고정하였다. 음극도 동일하게 지르코늄판을 사용하여 전해조의 바닥부에 두었다. 전극 간 거리를 20㎜로 하여 전극구조체(1)를 상측에 설치하고, 음극 지르코늄을 당해 전극구조체(1)와 평행하게 설치하였다. 4개의 세그먼트 전극판(21) 중 하나이며, 전극판(2) 중앙에 가까운 부분에 PR 열전대를 장착하여, 전극 표면 온도를 측정하였다.

전해액은 150g／L 황산 ＋ 50g／L 황산 나트륨(Na₂SO₄) 수용액으로 하고, 온도는 60℃로 하였다. 전해는 각 전극판에 300A의 전류(전류 밀도는 300A／dm²)를 흐르게 함으로써 행하였다. 접속부의 전류 밀도는 0.61A／㎟에 상당하였다. 전해 시간은 20분으로 하고, 전극판 표면의 온도를 계측하였다.

＜실시예 2＞

세그먼트 전극판(21)－급전체(3) 사이의 간극(C1)을 메우는 PTFE판을 제거한 것 이외에는, 비교예 2와 마찬가지의 방법으로 측정하였다.

＜실시예 3＞

간극(C1)을 메우는 PTFE판 및 인접하는 세그먼트 전극판(21) 사이의 간격(C2)을 메우는 PTFE판을 제거한 것 이외에는, 비교예 2와 마찬가지의 방법으로 측정하였다.

＜결과 및 고찰＞

비교예 2 및 실시예 2, 3의 결과를 표 1에 나타낸다.

［표 1］

비교예 2에서는, 세그먼트 전극판 이면측에서 냉각이 이루어지지 않으므로 온도가 크게 상승하였다고 생각된다.

실시예 2에서는, 세그먼트 전극판－급전체 사이의 간극(C1)을 메우는 PTFE판을 제거함으로써, 세그먼트 전극판(21)의 이면측에 전해액이 흘러, 냉각액의 역할을 다하고, 전극 표면 온도가 전해액 온도 근방까지 저하되었다고 생각된다.

또한, 실시예 3에서는, 실시예 2의 상태에서 세그먼트 전극판(21) 사이의 간격(C2)을 메우는 PTFE판도 더 제거함으로써 전극 표면 온도가 더욱 저하하였다. 이는, 세그먼트 전극판 사이를 통해 액류가 발생함으로써, 액순환이 더욱 좋아져, 전해액 흐름에 의한 냉각 효과가 향상되었기 때문이라고 생각된다.

(전극 표면 온도 측정 시험 3)

＜실시예 4∼7, 비교예 3＞

도 9 및 도 10에 나타내는 전극구조체(1)를 사용하여, 비교예 2와 동일 조건으로 전해를 행하여, 전극판－급전체 간 거리에 따른 전극 표면 온도의 변화를 조사하였다.

그리고, 도 9 및 도 10에 나타내는 전극구조체(1)의 구성은, 도 7 및 도 8에 나타내는 비교예 2의 구성과 이하의 점을 제외하고 동일하다.

즉, 도 9 및 도 10에 나타내는 바와 같이, 세그먼트 전극판(21) 및 급전체(3)의 바깥 둘레를 따라 PTFE실링(6)을 행하고, 전해액의 출입을 세그먼트 전극판(21) 사이의 간격(C2)만으로 제한하였다. 이와 같이, 전극판－급전체 간 거리가 변화하여도, 간극(C1)에 흘러 들어가는 전해액의 유속은 일정하게 되도록 하였다.

또한, 접속부(4)를 구성하는 세그먼트 전극판(21)의 전극판측 접촉면(44) 및 급전체(3)의 급전체측 접촉면(45) 양 쪽에, 전기저항을 저감시키는 관점에서 두께 0.1㎛의 백금도금을 행하였다. 그리고, 접촉면(44, 45) 사이에, 백금 피복된 탄탈제의 와셔(48)를 배치하도록 하였다. 전극판－급전체 간 거리는, 5㎜∼25㎜의 범위에서, 당해 와셔(48)의 두께를 조절함으로써 조정하였다.

실시예 4∼7, 비교예 3의 전극구조체(1)의 전극판－급전체 간 거리의 변화에 따른 전극 표면 온도 상승에 대해 측정한 결과를 표 2 및 도 11에 나타낸다.

［표 2］

전극판－급전체 간 거리가 5㎜에서 25㎜까지 증가할수록, 전극 표면 온도는 서서히 상승하는 것을 알 수 있었다. 이는, 전극판－급전체 간 거리가 증가함으로써, 접속부(4) 주변의 액 유속이 작아지는 점, 및, 접속부(4)의 발열량이 커지는 점이 원인이라고 생각된다.

(전극 수명 확인시험)

＜실시예 8 및 비교예 4＞

전극판(2)의 이면에서 냉각이 이루어짐에 따라 전극 수명이 연장됨을 확인하기 위해, 실제 연속 고속 아연 도금라인에서 운전 시험을 행하였다.

즉, 실시예 8의 전극구조체(1)는 이하와 같이 준비하였다. 세그먼트 전극판(21)으로서 세로 200㎜×가로 200㎜, 두께 20㎜의 티탄판의 편면에 Ir／Ta산화물로 이루어지는 두께 약 20㎛의 전극 피복을 행하여 전극 표면을 형성한 것을 사용하였다. 세그먼트 전극판(21)의 전극 이면의 일부를 기계 가공하여 원주상의 높이 4㎜의 전극판 보스부를 2곳 형성하고, 평활한 급전체에 세그먼트 전극판 간 거리 3㎜를 두고 각각 2개의 볼트로 볼트 체결하였다.

비교예 4의 전극구조체로는, 세그먼트 전극판의 전극 이면을 평활하게 하여, 평활한 급전체에 직접 볼트 체결한 것을 사용하였다.

전해액은 고속 아연 도금욕(ZnSO₄, 200g／L)이고, 전해액 온도는 60±2℃였다. 피도금재로서 강판을 사용하였다. 전해 전류 밀도는 120A／dm²이고, 도금라인의 전극으로서 장착하여 연속 전해를 행하였다.

＜결과 및 고찰＞

비교예 4의 세그먼트 전극판－급전체 사이에 간극이 없는 전극구조체는 3개월에 수명을 다했다. 한편, 실시예 8의 급전체－전극판 사이에 4㎜의 간극을 갖는 것으로는, 9개월 이상 경과하여도 초기 성능을 유지하는 것을 알 수 있었다.

본 발명은, 전극구조체 자체의 온도 상승에 의한 영향을 완화함으로써, 전극구조체의 열화를 억제하고, 나아가서는 전극 수명이 긴 전극구조체를 제공할 수 있으므로, 매우 유용하다.

1 : 전극구조체 2 : 전극판
21 : 세그먼트 전극판 21A : 전극 표면
21B : 전극 이면 3 : 급전체
3A : 급전체 표면 3B : 급전체 이면
4 : 접속부
41A : 전극판 보스부(볼록형상부)
41B : 급전체 보스부(볼록형상부)
42 : 볼트 삽입 관통공 43 : 볼트(장착부재)
44 : 전극판측 접촉면(접촉면) 45 : 급전체측 접촉면(접촉면)
46 : 볼트공 48 : 와셔
C1 : 간극 C2 : 간격
C21 : 제 1 간격 C22 : 제 2 간격

Claims

티탄 또는 티탄 합금을 기재로 하는 전극판과,
상기 전극판을 지지하는 급전체
를 구비하고,
상기 전극판은 복수로 분할된 복수의 세그먼트 전극판으로 이루어지고,
상기 전극판과 상기 급전체는, 접속부를 개재하여 밀착 고정되며,
전해액에 침지했을 때, 상기 접속부 이외의 상기 전극판과 상기 급전체와의 사이로 당해 전해액이 통액(通液)할 수 있게 되도록, 상기 전극판과 상기 급전체와의 사이에 간극이 형성되고,
상기 전극판과 상기 급전체와의 상기 간극은 1㎜ 이상 20㎜ 이하이며,
인접하는 상기 세그먼트 전극판 사이에는 1㎜ 이상 3㎜ 이하의 간격이 형성되는 것을 특징으로 하는 전극구조체.
청구항 1에 있어서,
상기 접속부는,
상기 세그먼트 전극판 및 상기 급전체의 적어도 한쪽에 형성된 볼록형상부와,
상기 볼록형상부에서 상기 전극판과 상기 급전체를 장착 고정하는 장착부재를 구비한 것을 특징으로 하는 전극구조체.
청구항 2에 있어서,
상기 장착부재는, 볼트인 것을 특징으로 하는 전극구조체.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 급전체를 개재하여 상기 전극판에 정격전류로 통전했을 때, 상기 접속부의 전류 밀도는, 0.3A／㎟ 이상 1.0A／㎟ 이하인 것을 특징으로 하는 전극구조체.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 접속부의 통전 방향에 수직인 단면의 형상은, 상기 급전체에 상기 전극판을 장착 고정한 상태에서 상기 전해액에 침지했을 때 상기 간극에 통액되는 전해액의 흐름이 층류가 되는 형상인 것을 특징으로 하는 전극구조체.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 접속부에서의 상기 전극판 및 상기 급전체의 접촉면은 백금족 금속에 의해 피복되는 것을 특징으로 하는 전극구조체.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 접속부에서의 상기 전극판 및 상기 급전체는, 와셔를 개재하여 접합되는 것을 특징으로 하는 전극구조체.
청구항 7에 있어서,
상기 와셔가 표면에 백금을 피복한 탄탈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전극구조체.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
전해도금용 양극인 것을 특징으로 하는 전극구조체.
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