KR20200095132A - 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조에 관한 것으로, 그 목적은 반응셀을 구성하는 양극 또는 음극과 직접 접촉되게 일체화된 온도조절장치를 구비하여 열전도된 양극 또는 음극이 양극수 또는 음극수와 열교환되도록 한 간접 열교환 방식으로 격막식 전기분해조에서 발생하는 반응열을 제어하도록 구성한 일체형 전기분해조를 제공하는데 있다.
본 발명의 구성은 양극(1), 음극(2) 및 격막(3)을 포함하고 양극수 및 음극수를 통해 전해반응이 이루어지는 구성의 격막식 전기분해조에 있어서,
상기 양극(1)이나 음극(2) 중 양극수 및 음극수와 접하지 않는 부위에, 내부에 유체유로(41)가 형성되어 상부와 하부를 통해 유입, 유출되는 외부 유체와 외부 유체와 공랭식 또는 수랭식으로 열교환하는 온도조절장치(4)가 일체로 설치되어 열전도된 양극 또는 음극이 양극수 및 음극수와 열교환하면서 반응열을 제어하도록 구성된 온도조절장치를 포함한 전기분해조를 발명의 특징으로 한다

Description

일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조{Electrolytic device including integrated temperature adjusting device}
본 발명은 일체형 온도조절 장치를 포함한 전기분해조에 관한 것으로, 자세하게는 전기분해조에서 발생하는 반응열을 제어하기 위해 음극 또는 양극 또는 바이폴라전극 중 어느 하나 이상에 열전도방식 온도조절장치를 일체화시켜 간접 열교환하는 전기분해조에 관한 것이다.
전기분해공정에 있어서 전해반응이 이루어지는 전기분해장치(이하 '전기분해조'라 칭함)는 크게 유격막 방식과 무격막 방식으로 나뉘고, 다시 개방형 셀과 밀폐형 셀 방식으로 나누어진다.
일반적인 유격막 방식의 밀폐형 반응셀(에노드셀과 캐소드셀) 구조를 가지는 전기분해조는 반응셀을 구성하는 양극과 음극 사이에 격막(멤브레인)이 설치되어 구획된 구성으로 이루어진다. 양극과 음극의 전극 형태는 보통 메쉬형 또는 타공형 전극을 사용하고, 양극과 음극 사이의 단위 셀 간 전압을 낮추기 위해 최대한 격막(멤브레인)에 근접하게 구성된다. 이때 전기분해시 발생되는 가스상 물질로 전압이 상승되는 것을 막기 위해 양극 또는 음극을 지지하는 전극판 뒤쪽으로 가스가 쉽게 빠져나갈 수 있게 공간을 구성한다.
상기 설명은 격막을 1개로 구성할 때의 2격실 전기분해조에 대한 설명인데, 필요에 따라 격막을 2개 또는 3개로 구성하고 양극수 및 음극수가 공급되어 반응할 수 있게 구성하면 3격실 또는 4격실 전기분해조로 구성할 수 있다.
또한 상기 설명한 2격실 형태의 유격막 전기분해조를 단위 반응셀로 하여 연속적으로 다단 배열후 각각의 반응셀에 양극수 및 음극수가 공급되도록 유로를 공급하여 다단 전기분해조로 구성할 수 있다.
다른 방식으로 구성된 다단 전기분해조로는 단위 반응셀의 구성을 설명하면 양측단에 설치되는 모노폴라 방식의 양극과 음극 그리고 필요한 단수만큼 양측단의 양극과 음극 사이에 하나 이상 다단 배열되어 설치되는 바이폴라전극을 구성하여 다단 구성할 수 있다. 이때 다단 배열된 음극 및 양극 전극 사이에는 하나 이상의 격막이 위치하게 된다.
한편, 양극과 음극, 격막(Membrane)으로 구성된 일반적인 격막식 전기분해조는 양극반응에 필요한 유체와 음극반응에 필요한 유체를 각각 나눠진 격실에 공급하고 양극과 음극에 전원을 인가하면 양극에서는 산화반응, 음극에서는 환원반응이 일어나게 되어 양극과 음극반응에서 생성된 이온은 격막을 통해 이동하여 생성물이 만들어지게 되는데, 이러한 전극반응, 셀간전압, 생성된 산화물과 환원물의 화학반응 등으로 인해 전기분해조에 반응열이 생기게 된다. 또한 이러한 반응열로 인해 화학적 부반응으로 부반응 생성물이 생성될 수 있다.
따라서 전기분해조는 공급 전류크기, 격막의 한계온도, 반응유체 등 격막식 전기분해조의 특성에 따라 온도제어가 필요하게 된다.
종래에는 전기분해시스템의 주요설비인 전기분해조의 온도제어를 위해 도 8 및 도 9에 도시된 것처럼, 전기분해조의 양극과 음극을 순환하는 양극수나 음극수 저장을 위한 전기분해시스템의 저장탱크나 버퍼탱크 또는 음극수나 양극수 유체가 흐르는 배관에 온도조절장치를 설치하여 온도를 제어하도록 구성하는 것이 일반적이었다.
하지만 이와 같은 종래의 기술은 전기분해조의 외부에 온도조정장치를 별도로 설치함으로써 전기분해시스템 구조상 공간적 제약이 심한 곳은 설치가 어렵다는 단점이 있다.
또한 온도조절장치의 온도조절을 위해 열교환하는 냉매의 순환을 위한 펌프나 저장탱크 그리고 작동을 위한 전원공급장치와 같은 필수 장치가 구비되어야 함으로써 전체 전기분해시스템의 구조가 복잡해 진다는 단점이 있다.
또한 전기분해조의 양극 또는 음극에 공급되는 양극수 또는 음극수 유체가 화학물질이기 때문에 이와 접촉하여 열교환되는 배관을 가진 온도조절장치는 배관의 재질을 내화학성 금속재질로 구비해야 하는데, 이러한 내화학성 금속일지라도 내구성이 영구적이지 않기에 일정 주기별로 교체 또는 수리를 해야 하고, 이로인해 운전 유지 비용이 상승하게 되고, 그 교체 또는 수리 기간동안에는 운전이 중단될 수 박에 없어 연속운전이 어렵다는 단점이 있다.
한국 공개특허공보 공개번호 10-2005-0052516(2005.06.02.) 한국 등록특허공보 등록번호 10-0981585(2010.09.03.) 한국 공개특허공보 공개번호 10-2014-0035687(2014.03.24.) 한국 등록실용신안공보 등록번호 20-0463822(2012.11.21.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 반응셀을 구성하는 양극 또는 음극 또는 바이폴라전극과 일체화된 온도조절장치를 구비하여 열전도된 양극 또는 음극이 양극수 또는 음극수와 열교환되도록 한 전극표면에서의 온도제어 방식으로 격막식 전기분해조에서 발생하는 반응열을 제어하도록 구성한 전기분해조를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 반응셀을 구성하는 음극 또는 양극 또는 바이폴라전극에 일체화된 온도조절장치에 양압 또는 음압을 형성하여 공기를 공급하도록 구성한 전기분해조를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 반응셀을 구성하는 음극 또는 양극 또는 바이폴라전극에 일체화된 온도조절장치에 배관을 연결하여 액체를 공급하도록 구성한 전기분해조를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 양극, 음극 및 격막을 포함하고 양극수 및 음극수를 통해 전해반응이 이루어지는 구성의 격막식 전기분해조에 있어서,
상기 양극이나 음극 중 양극수 및 음극수와 접하지 않는 부위에, 내부에 유체유로가 형성되어 상부와 하부를 통해 유입, 유출되는 외부 유체와 외부 유체와 공랭식 또는 수랭식으로 열교환하는 온도조절장치가 일체로 설치되어 열전도된 양극 또는 음극이 양극수 및 음극수와 열교환하면서 반응열을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 온도조절장치를 포함한 전기분해조를 제공함으로써 달성된다.
바람직한 실시예로, 상기 전기분해조는 양측 말단부에 형성된 양극과 음극 사이에, 내부에 유체유로가 형성된 온도조절장치가 일체화된 바이폴라전극과 격막을 더 포함하여 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 온도조절장치는 적어도 전면 금속판과 후면 금속판으로 이루어진 2개 이상의 금속판 간을 압착시켜 체결하고, 이웃하는 금속판간의 접촉면에 하나 이상의 유체유로가 상하 방향으로 형성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 유체유로는 평단면이 원형 또는 다각형 형태로 구성하거나 높은 열교환을 위해 면상에 비표면적이 넓은 요철타입 또는 체크무늬 타입 또는 주름무늬 타입으로 가공하여 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 온도조절장치는 하부와 상부에 각각 공기챔버인 유입부와 유출부를 구성하고, 유입부 및 유출부의 개구에는 양압 및 음압을 제공하기 위한 송풍장치 또는 진공장치를 적어도 하나 이상 연결하여 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 온도조절장치는 하부와 상부에 배관이 연결되어 냉매공급장치를 통해 액체가 공급되도록 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 전기분해조는 격막을 복수개 추가하여 3격실 이상의 다중격실로 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 전기분해조를 단위 반응셀로 구성하여 다단으로 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 바이폴라전극은 온도조절장치와 접하는 양극과 음극 면에 각각 돌기부가 형성되고, 이와 대응하여 접하는 온도조절장치 전면 금속판과 후면 금속판에는 돌기부가 형성되어 열전도 성능을 향상시키게 구성할 수 있다.
바람직한 실시예로, 상기 온도조절장치는 금속일 수 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 전기분해조는 반응셀을 구성하는 양극 또는 음극 또는 바이폴라전극과 일체화된 온도조절장치를 구비하여 열전도된 양극 또는 음극 또는 바이폴라전극이 양극수 및 음극수와 열교환되도록 한 간접 열교환 방식으로 구성하여 격막식 전기분해조에서 발생하는 반응열을 제어토록 함으로써 내화학성 금속재질을 사용할 필요가 없고, 전기분해조 외부에 별도의 온도조절장치를 구비할 필요가 없어서 전기분해조의 제조단가가 낮아지고 내구성이 높아진다는 장점을 가진다.
또한 본 발명은 반응셀을 구성하는 음극 또는 양극 또는 바이폴라전극에 접촉하여 열전도되는 온도조절장치에 양압 또는 음압을 형성하여 공기 공급을 제어하거나 배관을 연결하여 액체(물, 냉매)의 공급을 제어하도록 구성함으로써 종래처럼 전기분해조 외부에 별도로 설치되어 양극수 또는 음극수와 접촉되어 열교환하는 온도조절장치를 구비하는 전기분해시스템과 비교시 그 구성이 간단하여 공간활용성이 좋고 내구성이 높다는 장점을 가진다.
또한 본 발명은 온도조절이 용이하여 온도로 인한 화학부반응을 억제할 수 있다는 장점을 가진다.
또한 본 발명은 온도조절장치가 공기 및 액체(물, 냉매)와 접촉하는 구조가 열접촉면적을 늘릴 수 있도록 다양한 구조를 가지도록 구성함으로써 열교환 효율이 높다는 장점을 가진다.
상기와 같이 본 발명은 여러 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전극과 일체화된 온도조절장치를 포함한 전기분해조의 개략적인 구성을 보인 개념도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 모노폴라 전극과 일체화된 온도조절장치로 단위 반응셀을 구성한 전기분해조의 구성도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 음극과 일체화된 온도조절장치의 개략적인 구성을 보인 사시도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이폴라전극과 일체화된 온도조절장로 단위 반응셀을 구성한 전기분해조의 개략적인 구성을 보인 구성도이고,
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라전극과 일체화된 온도조절장치의 비표면적 확대 구조를 보인 예시도이고,
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 모노폴라 전극과 일체화된 온도조절장치를 단위 반응셀로하여 다단 구성한 전기분해조에 양압 또는 음압을 형성하여 공기를 공급하는 방식을 보인 예시도이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 모노폴라 전극과 일체화된 온도조절장치를 단위 반응셀로하여 다단 구성한 전기분해조에 액체를 공급하는 방식을 보인 예시도이고,
도 8은 종래의 한 실시예에 따라 온도조절장치가 구비된 전기분해시스템을 보인 구성도이고,
도 9는 종래의 한 실시예에 따라 온도조절장치가 구비된 전기분해시스템을 보인 구성도이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 전극과 일체화된 온도조절장치를 포함한 전기분해조의 개략적인 구성을 보인 개념도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 모노폴라 전극과 일체화된 온도조절장치로 단위 반응셀을 구성한 전기분해조의 구성도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 음극과 일체화된 온도조절장치의 개략적인 구성을 보인 사시도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 구성은 양극(1), 음극(2) 및 격막(3)을 포함하고 양극이나 음극 중 양극수 및 음극수와 접하지 않는 부위인 양극, 음극의 어느 타측면 또는 양측면에 온도조절장치(4)가 면접촉되게 일체로 설치된 구조를 가진 격막식 전기분해조이다.
상기 온도조절장치(4)는 음극 또는 양극의 어느 일측 극에만 설치해도 되지만 음극과 양극에 모두 설치한 형태로도 구성할 수 있다.
이와 같이 온도조절장치(4)가 양극(1) 또는 음극(2)에 일체화되면 온도조절장치에 의해 열전도된 양극 또는 음극이 양극수 또는 음극수와 열교환되어 반응열을 냉각하게 된다.
따라서 온도조절장치와 양극수 또는 음극수는 직접 접촉되지 않는 구조를 가지게 된다. 도 3에 도시된 온도조절장치(4)는 양극실 또는 음극실로 공급되거나 양극실 또는 음극실에서 배출된 양극수 또는 음극수가 구멍을 통해 유출 또는 유입되는데 이때 양극수 또는 음극수는 온도조절장치와 직접 접촉하는 것이 아니고 구멍을 관통하는 배관(도시 생략)을 통해 유입 또는 배출된다.
상기 양극과 음극이 설치된 양극실과 음극실 공간에는 각각 미도시된 양극수탱크와 음극수탱크에서 공급되는 양극수와 음극수가 공급되도록 구성된다.
양극은 양극수 저장탱크에서 양극수를 공급받아 격막으로 분리된 양극반응실 내에 설치되어 전원장치(11)에서 전원이 인가되면 전기분해하여 산화반응을 일으키는 산화극(Anode)이고, 음극은 음극수 저장탱크에서 음극수를 공급받아 격막으로 분리된 음극반응실 내에 설치되어 전원장치에서 전원이 인가되면 전기분해하여 환원반응 일으키는 환원극(Cathode)이다.
한 실시예로 양극반응에서는 Cl- -> Cl2, H20 -> O2, H+, SO4 2- ->S2O8 2- 등이 생성하고 음극반응에서는 H2O → OH- + H2, CO2 → CO + HCOO- 등이 생성된다. .
상기 격막은 양극 또는 음극 사이에 위치하여 양극과 음극 사이에 이온을 전달하는 역할을 하며, 바람직하게는 선택적 이온교환이 가능한 이온막으로 구성된다.
상기 온도조절장치(4)는 단위 반응셀인 격막식 전기분해조에서 발생하는 반응열을 제어하기 위해 양극 또는 음극 중 하나 이상의 모노폴라전극에 접촉되어 일체화된다.
온도조절장치와 양극수 또는 음극수와의 열교환은 열전도된 양극 또는 음극을 통한 간접 열교환방식으로 이루어진다.
다만 한 실시예에 따라 도시한 도면에서는 설명의 편의상 열교환시 발생하는 열량의 이동을 위해 온도조절장치와 음극간 또는 온도조절장치와 양극간이 이격된 것처럼 도시되었으나 실제로는 온도조절장치와 각 전극간은 면접촉된 상태에서 전극과 열교환판 간의 표면 접촉을 통해 열전도가 일어나게 설치됨은 주지의 사실이다.
상기 처럼 간접 열전도방식으로 열교환이 이루어지는 온도조절장치는 산성을 띠는 양극수 또는 음극수와 접촉되지 않는 상태에서 열교환이 이루어지게 된다.
상기과 같이 설치된 온도조절장치는 전기분해조 외부에서 유체의 유입, 유출되면서 온도조절장치를 이루는 금속의 온도를 냉각시키면서 이와 접촉된 양극 또는 음극의 온도를 냉각시키게 된다. 여기서 유체는 공기 또는 액체(물, 냉매)를 말한다.
열교환된 양극 또는 음극은 격막으로 나뉜 공간에 양극수 및 음극수가 각각 공급되면서 전기분해반응이 일어나면서 발생한 반응열로 승온된 양극수 또는 음극수의 온도를 낮추어 온도를 제어하게 된다.
도시한 한 실시예에서는 음극과 온도조절장치를 일체로 접촉시킨 형태로 단위 반응셀로 구성하였는데, 양극과 일체로 구성하거나 음극 및 양극 모두와 일체화하여 구성할 수 있음은 물론이다.
상기 양극과 음극의 상부와 하부에는 가스켓(12)을 설치하여 수밀을 하도록 구성한다.
또한 상기 한 실시예에 따라 음극과 온도조절장치를 일체화시켜 단위 반응셀로 구성된 구성을 다단으로 구성시는 온도조절장치와 이웃하는 양극간에는 도 6과 같이 절연체(13)를 설치하여 절연되도록 구성한다. 양극과 온도조절장치를 일체화시킬경우는 이웃하는 음극과 온도조절장치간에 절연체(13)를 설치하면 된다.
따라서 온도조절장치는 전기분해조에서 사용되는 유체 즉 양극수 또는 음극수와 접촉하지 않은 상태에서 양극 또는 음극의 표면과 접촉(열전도)에 의한 열교환이 이루어지는 간접냉각 방식으로 온도제어를 하게 됨으로써 종래처럼 내화학성 재질의 선정이 필요하지 않고 기존 온도조절방식의 내화학성 문제로 인한 교체 비용이 없으며 저렴한 구성으로 반응열을 제어하게 된다.
상기 온도조절장치(4)를 양극 및 음극 표면에 직접 부착되는 방식은 외부 압력에 의해 밀착되어 조립되도록 구성한다. 여기서 외부 압력에 의한 밀착이란 양극 또는 음극과 온도조절장치를 체결구를 이용한 체결방식으로 밀착하여 구성하거나 다단 구성 방식을 통해 인접하는 단위 반응셀간을 밀착시켜 체결하는 방식일 수 있다.
온도조절장치의 재질은 열전도가 우수한 알루미늄(재질한정 없이) 또는 그 이상 열전도가 우수한 금속 재질로 구성하는 것이 바람직하다. 물론 알루미늄이나 그 이상의 열전도 효율이 높은 금속뿐만 아니라 열전도가 필요로 하는 반응열을 제어할 수 있는 성능이라면 어떤 금속을 사용해도 된다.
구체적으로, 상기 온도조절장치(4)의 구조는 내부에 유체유로(41)가 형성되어 상부와 하부의 개구로 외부 유체 즉, 공기나 액체(물, 냉매)에 노출되어 금속이 냉각되는 열교환 구조로 이루어진다.
유체유로(41)를 형성하기 위해 한 실시예로 하나의 금속판 내부에 하나 이상의 유체유로(41)가 상하 방향으로 천공된 형태로 구성할 수 있다. 천공된 유체유로(41)의 평단면 형태는 원형 또는 다각형 형태로 구성할 수 있다. 이와 같이 구성하면 냉각용 유체가 유입 및 유출될 때 금속과 열교환되는 표면적이 많아져 양극 또는 음극에 보다 많은 열전도가 이루어져 반응열의 냉각 효율이 높아지게 된다.
바람직하게는 적어도 전면 금속판과 후면 금속판으로 이루어진 2개 이상의 금속판 간을 체결구를 이용하거나 기타 압착방식으로 이용하여 압착시키고, 이웃하는 금속판간의 접촉면에 하나 이상의 유체유로(41)를 상하 방향으로 가공하여 구성할 수 있다.
이때 전면 금속판과 마주본 상태로 체결되는 후면 금속판의 내측면에 가공되어 마주보게 형성된 유체유로(41)는 평단면이 원형 또는 다각형 형태 또는 높은 열교환을 위해 면상에 비표면적이 넓은 형태 예를 들어 요철타입 또는 체크무늬 타입 또는 주름무늬 타입으로 가공하여 구성할 수 있다.
이와 같이 구성하면 냉각용 유체 즉, 공기 또는 액체(물, 냉매)가 유입 및 유출될 때 금속과 열교환되는 표면적이 많아져 양극 또는 음극에 보다 많은 열전도가 이루어져 반응열의 냉각 효율이 높아지게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 바이폴라전극과 일체화된 온도조절장로 단위 반응셀을 구성한 전기분해조의 개략적인 구성을 보인 구성도이고, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 바이폴라전극과 일체화된 온도조절장치의 비표면적 확대 구조를 보인 예시도이다.
본 발명은 도 1 내지 3처럼 모노폴라전극인 양극(1), 음극(2)에 온도조절장치(4)를 일체화하여 전기분해조를 구성하는 것 뿐만 아니라 바이폴라전극(5)과 온도조절장치(4)를 일체화한 구성으로 전기분해조를 구성할 수 있다.
한 실시예로 바이폴라전극 방식의 구성은 양극(1)과 온도조절장치(4), 음극(2)순으로 조립되어 바이폴라전극을 구성하게 되며, 이때 바이폴라전극의 재질은 양극 및 음극에 전기를 잘 흐르게 할 수 있는 전기전도성이 좋은 재질이어야 한다.
상기 바이폴라전극에 일체화된 온도조절장치의 구성은 전술한 모노폴라전극인 양극 또는 음극에 일체화된 온도조절장치의 설명과 동일하다. 이하 동일 설명의 중복은 전술한 설명으로 대신한다.
다만, 바이폴라전극은 양측에 양극과 음극이 함께 위치하여 일체화된 구조에 열교환 효율을 높이기 위해 바이폴라 전극을 구성하는 양극(51)과 음극(52)은 온도조절장치와 접하는 면에 각각 돌기부(51a, 52a)가 형성되고, 이와 대응하여 접하는 온도조절장치 전면 금속판과 후면 금속판에 동일한 돌기부(42)가 형성되어 열전도 성능을 향상시키게 구성된다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 모노폴라 전극과 일체화된 온도조절장치를 단위 반응셀로하여 다단 구성한 전기분해조에 양압 또는 음압을 형성하여 공기를 공급하는 방식을 보인 예시도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전기분해조는 단위 반응셀을 다단으로 구성할 수 있다.
또한 다단 구성시 유체로 공기를 사용할 경우, 상기 온도조절장치(4)는 외기의 유체 흐름이 원활할 수 있도록 하부와 상부에 각각 공기챔버인 유입부(6)와 유출부(7)가 형성되어 구성되고, 유체유로(41)를 흐르는 공기흐름을 빠르게 하여 온도조절장치의 열교환 성능을 높이기 위해 유입부(6)의 개구에는 양압을 제공하는 송풍장치(8)와 연결하여 구성하거나 유출부(7)의 개구에는 음압을 제공하기 위한 진공장치(9)를 연결하여 구성할 수 있다. 상기 유입부와 유출부(7)는 단위 반응셀 또는 다단 반응셀의 상부와 하부의 외부에 구성하면 된다.
상기 송풍장치(8)는 예로 들면 팬과 같은 풍력을 제공하는 장치를 말한다.
또한 상기 진공장치(9)는 예로 들면 진공펌프와 같은 장치를 말한다.
상기와 같이 송풍장치(8)를 온도조절장치의 하부에 연접된 유입부(6)에 설치되면 송풍장치(8)에서 공급된 압력에 의해 유입부(6)의 압력이 높아지면서 양압이 형성되고, 동시에 유체의 저항을 최소화하는 방향인 상대적으로 음압 상태인 온도조절장치의 유체유로(41) 및 유출부(7)로 공기가 빠르게 배출되면서 온도조절장치는 보다 많은 양의 저온공기와 접촉하면서 열교환되게 된다. 열교환된 공기는 유출부(7)를 통해 배출되게 된다.
마찬가지로 진공장치(9)를 온도조절장치의 상부에 연접된 유출부(7)에 설치되면 진공장치(9)에서 형성된 진공에 의해 유출부(7)의 압력이 낮아지면서 음압이 형성되고, 동시에 유체의 저항을 최소화하는 방향인 상대적으로 양압 상태인 온도조절장치의 유체유로(41) 및 유입부(6)로부터 빠르게 공기가 흡입되면서 온도조절장치는 보다 많은 양의 저온공기와 접촉하면서 열교환되게 된다. 열교환된 공기는 유출부(7)를 통해 배출되게 된다.
상기와 같은 구성은 미도시되었지만 바이폴라전극을 이용한 구성을 단위반응셀로 하여 바이폴라전극을 다단으로 구성한 전기분해조에서도 동일한 방법으로 구성할 수 있음은 물론이다.
한편, 도 1 내지 도 3에 따른 실시예에서는 설명의 편의상 격막이 1개로 구성된 2격막실 형태로 설명하지만, 필요에 따라 격막을 추가하여 격실을 추가하고 양극수 및 음극수가 각각의 격실에 공급되어 반응할 수 있게 구성하면 3격실 또는 4격실 이상의 전기분해조로 구성할 수 있다. 이때 온도조절장치는 상기 2격실처럼 양극 또는 음극 중 어느 하나 또는 양측 극에 설치하면 된다.
또한 전기분해조는 바이폴라전극을 구성시 바이폴라전극간에 격막을 복수개 추가하여 3격실 이상의 다중격실로 구성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 모노폴라 전극과 일체화된 온도조절장치를 단위 반응셀로하여 다단 구성한 전기분해조에 냉매를 공급하는 방식을 보인 예시도이다.
도 7에 구성된 구조는 도 6에서 설명한 모노폴라 전극인 양극 또는 음극에 온도조절장치를 일체화한 단위 반응셀 또는 바이폴라 전극의 양극과 음극 사이에 온도조절장치를 일체화한 단위 반응셀을 다단 구성하는 것과 동일하지만, 사용되는 유체를 공기 대신 액체(물, 냉매)를 사용하여 온도조절장치(4)의 유체유로(41)에 공급한다는 것만 다르다.
이를 위해 온도조절장치(4)의 상부와 하부는 배관(110)과 연결되어 냉매공급장치(10)를 통해 액체(물, 냉매)가 공급되도록 구성한다. 미도시되었지만 냉매공급장치에는 액체저장탱크와 액체 공급펌프가 구비됨은 주지의 사실이다.
상기와 같이 온도조절장치가 일체형으로 전기분해조의 양극, 음극, 바이폴라전극에 일체로 구비됨으로써 전기분해조에 양극수 또는 음극수를 공급하기 위해 저장하고 있는 양극수탱크 또는 음극수탱크 내부에 설치되어 열교환하는 온도조절장치나 양극수 또는 음극수를 공급하는 배관의 일 지점에 설치되어 열교환하는 온도조절장치가 필요치 않아 공간 설계상 큰 장점과 열교환을 위한 냉매의 순환을 위한 펌프나 저장장치 및 펌프 작동을 위한 전원장치가 필요 없기 때문에 전체 전기분해시스템의 구성이 단순해지게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
(1) : 양극 (2) : 음극
(3) : 격막 (4) : 온도조절장치
(5) : 바이폴라전극 (6) : 유입부
(7) : 유출부 (8) : 송풍장치
(9) : 진공장치 (10) : 냉매공급장치
(11) : 전원장치 (12) : 가스켓
(13) : 절연체 (41) : 유체유로
(42) : 돌기부 (51) : 양극
(52) : 음극 (51a, 52a) : 돌기부
(110) : 배관

Claims (10)

  1. 양극(1), 음극(2) 및 격막(3)을 포함하고 양극수 및 음극수를 통해 전해반응이 이루어지는 구성의 격막식 전기분해조에 있어서,
    상기 양극(1)이나 음극(2)에 양극수 및 음극수와 접하지 않는 부위에, 내부에 유체유로(41)가 형성되어 상부와 하부를 통해 유입, 유출되는 외부 유체와 공랭식 또는 수랭식으로 열교환하는 온도조절장치(4)가 일체로 설치되어 열전도된 양극 또는 음극이 양극수 및 음극수와 열교환하면서 반응열을 제어하도록 구성된 것을 특징으로 하는 온도조절장치를 포함한 전기분해조.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기분해조는 양측 말단부에 형성된 양극과 음극 사이에, 내부에 유체유로(41)가 형성된 온도조절장치가 일체화된 바이폴라전극(5)과 격막을 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 온도조절장치(4)는 적어도 전면 금속판과 후면 금속판으로 이루어진 2개 이상의 금속판 간을 압착시켜 체결하고, 이웃하는 금속판간의 접촉면에 하나 이상의 유체유로(41)가 상하 방향으로 형성된 것을 특징으로 하는 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 유체유로는 평단면이 원형 또는 다각형 형태로 구성하거나 높은 열교환을 위해 면상에 비표면적이 넓은 요철타입 또는 체크무늬 타입 또는 주름무늬 타입으로 가공하여 구성한 것을 특징으로 하는 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 온도조절장치(4)는 하부와 상부에 각각 공기챔버인 유입부(6)와 유출부(7)를 구성하고, 유입부(6) 및 유출부(7)의 개구에는 양압 및 음압을 제공하기 위한 송풍장치(8) 또는 진공장치(9)를 적어도 하나 이상 연결하여 구성한 것을 특징으로 하는 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 온도조절장치(4)는 하부와 상부에 배관(110)이 연결되어 냉매공급장치(10)를 통해 액체가 공급되도록 구성한 것을 특징으로 하는 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조.
  7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기분해조는 격막을 복수개 추가하여 3격실 이상의 다중격실로 구성한 것을 특징으로 하는 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기분해조를 단위 반응셀로 구성하여 다단으로 구성한 것을 특징으로 하는 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조.
  9. 청구항 2에 있어서,
    상기 바이폴라전극은 온도조절장치와 접하는 양극(51)과 음극(52) 면에 각각 돌기부(51a, 52a)가 형성되고, 이와 대응하여 접하는 온도조절장치 전면 금속판과 후면 금속판에는 돌기부(42)가 형성되어 열전도 성능을 향상시키게 구성한 것을 특징으로 하는 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 온도조절장치는 금속인 것을 특징으로 하는 일체형 온도조절장치를 포함한 전기분해조.


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