KR100402869B1 - 압력보상이되는전기화학적반전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전해질 (100)을 수용하는 1개 이상의 전극 공간 (3, 15), 기체 공간 (2) 및 기체 공간 (2)와 전극 공간 (3, 15)를 분리하는 양극 또는 음극으로서의 1개 이상의 기체 확산 전극 (14)를 포함하며, 여기서 기체 공간 (2)는 포개진 2개 이상의 기체 포켓 (2a, 2b)로 더 분할되어 있고, 기체 유입 및 기체 유출이 별도의 통로 (7) 및 (12a, 12b, 12c, 12d)를 통해 일어나고, 전극 (14)의 전해질쪽의 압력이 각각의 전해질 기체 포켓 (2a, 2b) 내의 통로에 의해 보상되는 전기화학적 반전지 (1)에 관한 것이다.

Description

압력 보상이 되는 전기화학적 반전지 {Electrochemical Half-Cell with Pressure Compensation}

본 발명은 전해질을 수용하는 1개 이상의 전극 공간, 기체 공간, 및 기체 공간과 전극 공간을 분리하는 양극 또는 음극으로서의 1개 이상의 기체 확산 전극을 포함하는 전기화학적 반전지 (half-cell)에 관한 것이며, 여기서 기체 공간은 기체 유입 및 기체 유출이 별도의 통로를 통해 일어나는 2개 이상의 병치 또는 적치된 기체 포켓으로 더 분할되어 있고, 전극의 기체쪽에서의 압력과 비교할 때 전극의 전해질쪽에서의 압력이 기체 포켓 내의 전해질 통로에 의해 보상 (compensation)된다.

기체 확산 전극, 예를 들어, 알칼리 할로겐화물 전기분해에서 산소 소비 음극으로 사용되는 기체 확산 전극을 기초로하는 전기화학 전지의 작동법은 기본적으로 공지되어 있고, 예를 들어 미국 특허 명세서 제4 657 651호에 설명되어 있다.

기체 확산 전극은 전해질과 기체 공간 사이에 있는 개구 (open-pore) 막으로서, 촉매와 함께 전기 전도성 층을 갖고, 산소의 환원과 같은 전기화학 반응이 막 내의 전해질, 촉매 및 반응 기체 간의 세가지 상의 경계에서 일어날 수 있게 한다. 일반적으로, 막에 대한 전해질의 정수압에 반하는 소수성 전극 물질에 대한 전해질의 표면 장력에 의해 막에서 경계층이 유지된다. 그러나, 이런 관계에서는 막의기체쪽과 액체쪽 사이에서 단지 적은 압력 강하만이 허용될 수 있다. 기체쪽 압력이 너무 높으면, 기체는 결국 막을 투과해 이 영역에서 전극의 작업을 방해하여, 전기 분해 과정이 중단된다. 반면, 액체 압력이 너무 높으면, 막 내의 촉매 함유 영역으로부터 삼상 경계가 밀려나가 마찬가지로 음극의 작업을 방해하고, 압력이 더 증가한다면, 액상 전해질이 기체 공간으로 침투하게 된다. 예를 들어, 막 전해 장치에 필수적인, 수직 배열된 전극으로 원하는 생성물인 염소를 효과적으로 분리하기 위해서는 기체 확산 전극의 구조적 높이가 제한되는데, 그렇지 않으면 전극의 정상부에서는 기체가 음극 공간으로 침투할 것이고, 또한 전극의 바닥에서는 전해질 액체가 기체 공간으로 침투할 것이기 때문이다. 따라서, 기술상 가능한 구조상 높이는 약 20 내지 30 cm로 제한되고, 이는 통상의 공업용 막 전기 분해 장치로는 매력적이지 않다.

압력 보상의 문제를 해결하기 위해, 종래 기술에서는 여러 배열법이 제안되어 왔다.

미국 특허 명세서 제4 657 651호에 따르면, 기체 확산 음극의 양쪽에 있는 기체 공간과 전해질 공간 간의 압력 보상은, 기체를 개별적으로 충전하는 개별 수평 챔버로 음극을 더 분할함으로써 달성되며, 기체압은 수직 챔버의 깊이가 각 챔버에 대한 전해질 높이에 대응하도록 각 경우 유출 기체 스트림을 수직 챔버로 통과시킴으로써 조절된다. 이런 배열은 복잡하다는 것과 공업상의 실시에 드는 장치가 고비용이라는 단점이 있다. 또한, 각 개별 기체 챔버에서의 압력은 각 밸브를 통해 별도로 조절되어야 한다.

아직 미공개된 독일 특허 출원 제P 4 444 114.2호는, 기체 확산 전극의 양쪽에 있는 기체 공간과 전해질 공간 사이의 압력 보상이 캐스캐이드 (cascade-like) 방식으로 포개진 두 개 이상의 기체 포켓으로 기체 공간을 더 분할함으로써 이루어지는데, 상기 기체 포켓은 서로 분리되어 있고, 바닥이 전해질쪽으로 개방되어 있어서 각 기체 포켓에서의 압력이 이 전해질 통로에 의해 기체 확산 전극 앞면의 전극 공간의 해당 부분에 있는 전해질의 액체 칼럼의 압력과 평형을 이루게 되며, 임의의 기체 유입 및 유출이 전해질 통로를 통해 일어나는, 기체 확산 전극을 갖는 전기화학적 반전지를 설명하고 있다.

"전기화학회"의 발행물 ("1996년 5월 5-10일의 봄 미팅에서의 미팅 요약서 96-1, 요약 번호 제949번")에서는, 실험실 규모의 클로르-알칼리 전기 분해에서의 산소 확산 음극을 갖는 전지를 기재하였고, 이 전지는 독일 특허 출원 제4 444 114.2호와 유사한 압력 보상 개념의 간략한 변형이다. 요약서 제949번의 도면 1은 산소 음극 앞면의 기체 공간이 두 개의 포개진 기체 포켓으로 더 분할되어 있고, 이 기체 포켓에서 전지의 바닥으로부터의 기포를 일으키는 산소가 기체 포켓의 개방된 통로를 통해 흐른다는 것을 보여준다. 기체 공간을 두 개의 기체 포켓으로 수직 세분시킴으로써 압력 보상이 이루어진다. 막에 작용하는 최대 압력은 각각의 기체 포켓의 높이에 상응하는 정수압에 해당된다.

전술한 전해 전지의 디자인 및 구조는 확산 전극의 작동을 방해하는 단점을 많이 가지고 있다.

기체 유입 및 유출이 기체 포켓의 동일한 전해질 통로를 통해 일어난다. 때문에, 포켓에 공급된 기체가 기체 포켓의 하단부를 거쳐 바로 위의 기체 포켓으로 균일하게 계속 기포를 일으키므로, 이로 인해 각 기체 포켓에 포함된 반응 기체의 교환이 상당히 방해된다. 전극 뒤의 기체 공간에서 기체 기포가 터지는 것으로 인해 어느 정도의 양의 혼합이 일어날 뿐이다. 전지의 기체 공간으로부터 원치않는 외래 기체의 활발한 유출 및 제거가 공지된 전해 전지에서는 가능하지 않다.

또한, 윗쪽 기체 포켓의 동일하게 넓게 돌출된 수집 에이프런에 의해 상승하는 기체 기포를 제한된 정도로만 포획할 수 있다. 대부분의 기체 기포 흐름이 공지된 전해 전지의 윗쪽 수집 에이프런을 통과한다는 것이 간단한 실험으로 증명되었다.

또한, 각 기체 포켓에서 전해질의 메니스커스에 있는 기체 기포가 터지면 기체 공간에 원치않는 전해질 방울의 분무 안개를 형성시키는데, 이 안개가 확산 전극에 침전되어 전극 작용을 방해한다.

종래 기술의 개선점을 제시하고 있는 본 발명의 목적은, 간단한 압력 보상의 잇점을 가지면서, 동시에 공지된 전지의 전술한 단점을 갖지 않고, 특히 확산 전극 뒤의 기체 공간의 활발한 통기가 가능한 전기화학적 반전지를 개발하는 것이다.

이 목적은 전해질을 수용하는 1개 이상의 전극 공간, 기체 공간, 및 기체 공간과 전극 공간을 분리하는 양극 또는 음극으로서의 1개 이상의 기체 확산 전극을 포함하며, 여기서 기체 공간은 서로 분리되어 있고, 각각 전해질 통로를 갖는 두 개 이상의 포개진 기체 포켓으로 더 분할되어서 각 기체 포켓의 압력이 전해질 통로를 통해 기체 확산 전극의 앞에 놓인 전극 공간의 해당 부분에 있는 전해질의 액체 칼럼의 압력과 평형을 이루고, 개별 기체 포켓의 기체 유입구 및 기체 유출구가 서로 공간적으로 분리되어 있다는 특징을 갖는, 본 발명의 주제인 전기화학적 반전지에 의해 본 발명에 따라 달성된다.

특히, 기체 포켓에 있는 기체 유입구 및 기체 유출구는 서로에 대해 측면에 위치하도록 배열되어서 기체 포켓에서의 전극 기체는 옆으로 흐른다.

전극 기체의 강제적인 흐름으로 인해, 각 기체 포켓에서의 기체 교환이 개선되고, 예를 들어, 공지된 전지 배열에서 발생하는 원치않는 외래 기체의 축적을 피하게 된다.

또한, 전해질과 전극 기체의 등온 직접 접촉은 확산 전극의 기체쪽에 있는 기체가 항상 흠뻑 젖어 있고, 이로 인해 특히 확산 전극의 막 구조물에서 전해질 물질의 "결정화"가 방지된다는 것을 의미한다.

또한, 이는 전해질 결정으로 인한 전극의 돌이킬 수 없는 손상을 막는다.

본 발명의 특정 실시 형태에서, 기체 포켓은 전면 폐쇄 챔버로 형성되고, 기체 포켓의 경계벽 중 하나는 기체 확산 전극이고, 측면 단부에 전극 기체의 기체 공급구 또는 유입구를 갖는다. 잉여 전극 기체는 압력을 보상하는, 정체되어 있는 전해질액에 잠겨 있는 딥 튜브 (dip tube)를 통해 기체 포켓의 또 다른 측면 단부에서 제거된다. 기체 포켓의 한쪽에서 기체를 공급하고, 다른 쪽에서 잉여 기체를 제거하는 이런 배열로 인해, 전극 기체가 기체 포켓을 통해 활발히 강제적으로 옆으로 흐른다. 이런 전지 배열에 있어 기체 공간과 전극 공간 간의 압력 보상은 기체 유출을 통해 일어난다. 단순한 배열에 비해, 상기 디자인 및 구조를 갖는 반전지를 통해 기체 포켓에서 활발한 기체 교환이 일어난다는 잇점이 있고, 이것은 잉여 기체의 양을 변경시킴으로써 조절될 수 있다. 이는 방해하는 외래 기체가 기체 포켓에서 풍부해질 모든 가능성을 없앤다. 또한, 덜 순수한 전극 기체를 사용하거나, 또는 (반전지의 의도된 용도에 따라) 혹시 형성되는 기체 생성물을 전극 반응으로부터 제거하는 것이 가능하다.

본 발명의 바람직한 변형에서, 반전지에서 전극 기체의 강제 측면 통기는 기체 유입구와 기체 유출구를 한 기체 포켓으로부터 위에 놓인 그 다음 기체 포켓으로, 한 기체 포켓의 기체 유출구가 위에 놓여 있는 그 다음 기체 포켓의 기체 유입구 밑에 위치되도록 교대로 배열함으로써 달성된다.

기체 포켓은 기체 포켓의 후벽에 고정되는 수집 에이프런을 가질 수 있다. 가장 간단한 형태로, 아래쪽 기체 포켓 출구로부터 상승하는 기체 기포 수집을 위한 가이드판 또는 배플을 기체 포켓의 후벽에 수직으로 배열시키고, 그 밑에 위치한 기체 포켓 유출구의 출구 위로 옆으로 돌출시킨다.

기체 수집 에이프런이 기체 포켓의 후벽 일부를 형성하는 포개진 기체 포켓과 종래 기술의 공지된 배열을 비교하면, 공지된 배열의 기체 수집 에이프런은 기체 확산 전극으로부터 아주 뒤쪽에서 돌출되어 있는 반면, 상기 배열은 전극 표면에서 볼때, 옆으로 배열된 기체 수집 에이프런의 수직 높이를 작게 유지할 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 반전지가 훨씬 좁게 디자인되고, 제작될 수 있다는 잇점을 갖는다.

본 발명의 변형에서는, 측면의 기체 수집 에이프런 대신에 아래쪽으로 돌출되어 전해질 쪽으로 열려 있는 기포 채널을 기체 포켓의 기체 유입구로 사용할 수 있다. 기포 채널은 예를 들어, 전극 기체가 기포 채널로 나가도록 아랫쪽 기체 포켓의 기체 유출구의 출구 위에 배열된다. 기포 채널은 하단부가 옆으로 넓은 기포 트랩을 가질 수 있다.

또 다른 변형에서는, 아랫쪽 출구가 U-튜브로 형성되고, 그의 팔중 하나는 약간 더 넓게 돌출되어, 기포 채널의 통로 쪽으로 열려있다.

전술한 변형에 의해 기체 포켓에서 기체 포켓으로의 전극 기체의 이동이 가능하고, 따라서 전해질 액체의 메니스커스에 이른 전극 기체의 기체 기포는 여전히 실제의 기체 포켓 밖의 영역에서 터진다. 때문에, 확산 전극의 후측면에 전해액이 분사되는 것을 피할 수 있다. 또한, 이런 이로운 특성은 특히 기포 채널 또는 기체 수집 에이프런을 기체 포켓의 챔버로의 통로에 마주하도록 옆으로 위치 (예를 들어, 반전지의 중간으로 이동함)시키는 경우에 달성된다. 이런 경우 기포 채널 또는 기체 수집 에이프런에서 수집된 기체는 통로로 가는 파이프를 통해 옆으로 통과된다.

이는 특히 분무 안개를 효율적으로 세척 및 제거한다. 기체 기포가 터짐으로써 발생되는 어떠한 "진동"도 기체 포켓에 전달되지 않는다.

각 기체 포켓으로의 기체 공급구의 입구를 다르게 디자인할 수 있다. 단순한 개구를 사용하는 것 이외에, 예를 들어, 전극의 후측면에 그의 전체 높이로 새로운 전극 기체를 공급하기 위하여 기체 포켓의 높이를 넘게 최대한 뻗어 있는 여러개의 포개진 통로 또는 1개 이상의 입구 슬릿을 구비할 수 있다.

분무 안개를 트랩하기 위해, 개구를 전극벽과 마주하는 블로킹 수단으로 배플로 덮을 수 있고, 아마도 기체 스트림을 동반하는 전해질이 배플에 고여 역으로 흐를 수 있다.

본 발명에 따른 압력-보상 반전지의 또 다른 변형은, 한 기체 포켓에서 위에 놓인 기체 포켓으로 진행하는 전극 기체 흐름 대신, 상황에 따라 각각의 조절 및 차단 밸브가 장착된 기체 공급선에 의해, 포개진 개별 기체 포켓으로의 개별 공급구를 갖는다.

개별 기체 포켓의 압력 보상은 각 경우 전해질로 열려 있는 채로 잠겨 있는 기체 포켓의 기체 유출구를 통해 일어난다.

예를 들어, 전극 반응을 방해하는 해로운 기체가 전극 반응에서 형성되고, 이 기체가 최하부 기체 포켓에서 최상부 기체 포켓까지 일정치 않게 흘러서 축적될 수 있다면, 이 바람직한 배열이 이롭게 사용된다.

또한, 이 배열은 불활성 기체 (예를 들어, 노블 (noble) 기체)를 선택된 기체 포켓에 분출시킴으로써 기체 확산 전극 표면의 일부를 "단절"시킬 수 있다. 이런 방법에서, 반전지를 작동시킬 때 "단절된" 전극 표면의 개별 성능을 조절 및 기록하는 것이 가능하다.

전술한 본 발명의 모든 실시 형태에서, 각 기체 포켓 영역에서의 기체압은 각 출구 통로의 액체 칼럼, 또는 기체 포켓 케스케이드와 전해 전지에서의 후벽 사이의 액체 칼럼의 상단부까지 기포 메니스커스의 하단부의 액체 칼럼에 상응한다. 이 압력은 전극 챔버에서의 액체 칼럼, 즉 두 개의 챔버가 동일 높이로 채워질 때(예를 들어, 두 챔버가 서로 정수압으로 인해 통하게될 때) 각 기체 출구 통로 또는 전술한 기포 메니스커스의 하단부에서의 평형에 의해 보상된다. 관련된 기체 포켓에서 균일한 압력이 나타나기 때문에, 평균적으로 약간의 과압이 기체쪽에 존재하고, 이는 또한 촉매적 산소 환원과 같은 최적의 역할에서 바람직하다.

본 발명에 따른 반전지의 추가의 바람직한 변형에서, 전극 공간 및 후벽 전해질 공간이 정수압에 의해 분리된다면, 모든 챔버에서 물론 동일한 각 압력차는 두 챔버에서 다른 충전양 또는 유출 높이에 의해 특별히 조절될 수 있다.

예를 들어, 기체 방출선 위쪽으로 통과하는 파이프 및 그 위에 배열된 임의로 제공된 전해질 수용 수단 (전극 공간에 대해 모든 기체 포켓에서 동일한 높이)를 통해 각각 기체를 제거함으로써 제어 가능한 과압을 조절할 수 있다.

한편, 전지로부터 전해질 유출이 스탠드 파이프를 통해 아래쪽으로 또는 임의로 전지의 측벽에서 바람직하게 일어난다면, 전극 공간으로부터의 전해질을 기체 포켓 전극을 거쳐 후부 전해질 공간으로 윗쪽으로만 흐르게 함으로써 전해질과 잉여 기체를 함께 제거하는 것이 전적으로 가능하고, 전해질은 잉여 산소와 함께 스탠드 파이프를 통해 전지로부터 아랫쪽으로, 또는 옆으로 유출되는 경우는 옆으로 흐른다. 스탠드 파이프의 높이가 다르면 압력차도 달라지고, 이때 액체압이 기체압 보다 커지는데, 이는 특히 포켓형 기체 확산 전극의 전표면이 전류 분포 그리드 (grid)와 접촉시 이롭다. 원한다면, 전극 유지 장치 및 클램핑 장치는 사실상 생략될 수 있다. 스탠드 파이프를 통해 전해질 및 잉여 기체를 함께 제거하는 것과 완전히 유사한 방법에서는, 반전지에 옆으로 배열된 방출 파이프를 통해 이런 제거가 수행될 수도 있고, 예를 들어, 전지 뿐만 아니라 수집기에서도 기체와 전해질의 분리가 일어난다. 또한, 이런 식으로 액체압은 기체 확산 전극에서 기체압보다 크게 조절될 수 있다.

본 발명에 따른 반전지를 적당한 수의 기체 포켓에 의해 임의대로 및 기술적으로 실행할 수 있는 특정 크기까지 확장할 수 있다. 통상의 전기 분해 충전에 필요한 기체 (예를 들어, 산소)량은 예를 들어, 시간 당 음극 표면의 m²당 0.7 내지 1 m³이므로, 정수압 시험이 증명했던 대로, 기포 통로의 적당한 크기를 선택함으로써 어떠한 문제점도 없이 필수적인 기체 이송을 달성할 수 있다.

특히 막 전기 분해 장치의 반전지에서의, 기체 확산 전극의 유지 및 전기적 접촉이 원래 알려져 있다. 기체 확산 전극으로서 몇몇 전극 세그먼트를 사용할 때, 기체 확산 전극 세그먼트들은 서로의 전극 세그먼트 및 전극 공간에 대해 기밀 (gastight) 방식으로 유지된다.

기체 확산 전극의 유지 부재들은 예를 들어, 클램핑 스트립 (strips) 또는 적당히 쌓여진 자기 스트립으로 디자인될 수 있고, 상기 모든 것들이 보조 장치로 제공된다.

삽입된 이온 교환막을 갖는 전해 전지의 경우, 어셈블리 및 장치 후에 유지 부재들은 이온 교환막을 통해 이온 교환막 뒤에 놓인 반대 전극 구조물에 의해 지지될 수 있고, 따라서 기체 확산 전극에 대해 충분한 압축력을 제공하고, 이로 인해 전기적 접촉이 발생된다.

전해 전지의 경우 유지 부재들은 이온 교환막과 대향하는 전지 측면에 흐름 방향으로 배열된 노치 (notches)를 가질 수 있고, 이 노치는 전해 전지를 묶거나 클램핑할 때도 전극 공간의 구획에서 구획으로 균일하게 흐르게 한다.

유입 노치의 적당한 분배에 의해, 예를 들어, 바닥에서부터 윗쪽으로 노치의 수를 증가시키면서, 아랫쪽 전극 구획에서 과잉의 수압 하중을 피한다.

본 발명의 특히 이로운 배열에서, 탄성 스페이서 (spacer)를 좁은 전극 공간에 채우는데, 이는 스페이서 및 전해질 흐름의 난류 생성기로 작용할 뿐만 아니라 전술한 유지 부재에 설치되고 유지 부재와 함께 클램핑하여, 기체 확산 전극의 압축 및 밀봉을 위한 추가의 탄성 부품을 형성한다.

또 다른 실시 형태에서, 기체 확산 전극과 막 사이의 간격은 개별 구획을 통해 수직으로 통과하고, 유지 부재의 노치에서 클램핑되는 외장선에 의해 보장된다.

또한, 기체 확산 전극 세그먼트의 유지는 T-모양 유지 장치에 의해 수행될 수 있으며, 뒤에서부터 조일 수 있는 유지 구조물을 통과하는 방식으로 삽입된 클립으로 예를 들어, 적당히 나열된 구멍을 통해 뚫린 클램핑 웨지 (wedge)에 의해 적당한 부분에서 그의 긴 팔을 멈춘다. 따라서, 기체 확산 전극 및 임의의 실 (seal)은 저임피던스 전력 공급으로 디자인된 유지 구조물에 대해 기밀 뿐만 아니라 양호한 전류 접촉을 보장하는 방법으로 T-모양 유지 장치의 짧은 팔에 의해 압축된다.

전류는 공지된 배열법에 의해 기체 확산 전극으로 공급될 수 있다. 전류는 기체 확산 전극의 유지 장치를 통해 공급되는 것이 바람직하며, 이 유지 장치는 저임피던스 방식으로 전해 전지의 후측면과 함께 외부 전력 공급, 유지 장치에 설치되어 있는 추가의 금속성 그리드 구조물, 전해질쪽과 기체쪽 사이의 압력차에 따라 기체쪽 또는 전해질쪽에서의 그리드 구조물과 접촉하는 기체 확산 전극, 및 짧은 전류 통로를 제공하는 그리드 구조물과 연결된다. 기체 확산 전극과 일체형 금속성 그리드의 경우, 확산 전극이 또 다른 간단한 접합부에 의해 기체 공간의 방향으로 지지될 수 있다면, 유지 장치에 있는 각각의 금속성 그리드 구조물을 경우에 따라 생략할 수 있다.

또한, 반전지의 뒤로 저임피던스 연결을 통해 전류를 공급하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에 따른 반전지의 이로운 실시 형태는, 기체 포켓 전극이 반전지, 예를 들면 전해 반전지로부터 제거될 수 있도록 기체 포켓 전극의 전체 구조물이 디자인된다는 특징을 갖는다.

본 발명에 따른 반전지는 기체 확산 전극이 액체 전해질과의 직접 접촉으로 작동되는 모든 전기화학적 방법에서 대체로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 반전지의 사용의 예로는

중크롬산 나트륨 전기분해 (수소 소비 양극이 사용되는데, 예를 들어 음극에서의 수소 생성이 산소 소비 음극에서의 산소 환원으로 대체될 수 있음);

기체 확산 음극에서 산소 환원에 의한 과산화 수소 생성;

알칼리 연료 전지에서의 사용 (예를 들어, 수산화 나트륨 용액을 농축시키기 위해 사용된다. 연료 전지는 수소 전환용 양극으로 연결된 본 발명과 유사한 반전지, 및 산소 환원용 음극으로 연결된 반전지로 작동될 수 있다.)을 포함한다.

본 발명에 따른 반전지에 의해, 알칼리 할로겐화물 용액의 전기분해를 위해 통상 시판되는 막 전해 장치는, 이들이 충분히 깊은 음극 챔버를 갖는 한, 예를 들어 산소 소비 음극이 있는 에너지 절약형 작동으로 대체로 전환될 수 있다.

이는 특히 수직 리브 (rib) 구조, 또는 수직 또는 수평 내부 구조 리브가 있는 유형의 전지에도 사용한다.

대체로, 공지된 모든 유형의 기체 확산 전극이 본 발명에 따른 반전지와 함께 사용될 수 있으며, 그 예로는 일체형 금속 지지 그리드 또는 전류 분포 그리드, 또는 탄소 블록 (carbon blocks) 또는 다른 전도성 구조물로 제작된 전극이 있다.

본 발명에 따른 반전지의 더 바람직한 실시 형태가 청구항에 기재되어 있다.

이제, 본 발명을 도면과 함께 더 상세히 설명할 것이지만, 본 발명을 제한하지는 않는다.

도 1은 확산 전극 표면에 평행한 횡단면으로 도시된, 산소 소비 음극으로 디자인된 기포 채널을 갖는 본 발명에 따른 반전지의 변형이다.

도 2는 도 1에서 B-B' 라인에 해당하는 도 1의 반전지의 횡단면이다.

도 3은 도 1에서 C-C' 라인에 해당하는 도 1의 반전지의 횡단면이다.

도 4는 별도의 기체 공급구를 갖는, 도 1의 본 발명에 따른 반전지 변형의 상세도이다.

도 5는 옆으로 뻗어 있는 기체 수집 에이프런을 갖는 본 발명에 따른 반전지의 횡단면이다.

도 6은 개별 기체 포켓으로의 직접 기체 공급구를 갖는 본 발명에 따른 반전지 예의 횡단면이다.

도 7은 도 6의 반전지를 관통하는 도 6의 A-A' 라인에 해당하는 단면도이다.

도 7의 상세도 A는 도 7의 확대된 상세도이다.

도 8은 도 6의 반전지를 관통하는 도 6의 B-B' 라인에 해당하는 단면도이다.

도 9는 플러그-인 (plug-in) 파이프를 통한 기체 포켓으로의 기체 공급구를 갖는 도 6의 반전지 변형물의 횡단면이다.

도 10은 도 9의 반전지를 관통하는 도 9의 A-A' 라인에 해당하는 단면도이다.

<실시예 1>

산소 소비 음극으로서 접속된 전기화학적 반전지가 다음의 기본적인 디자인 및 구조 (도 2 참조)를 갖는다.

반전지 (1)은 막 (13)에 의해 또 다른 반전지 (나타내지 않음)와 분리된다. 공급선 (9)를 통해 전극 공간 (20)으로 전해질 (100) (이 경우에는 NaOH 수용액)이 첨가되고, 전해질 통로 (15)를 통해 수집 챔버 (5)로 막 (13)과 기체 확산 전극 (14) 사이에서 흐른다. 전극 (14)는 저임피던스 전기적 접촉 (나타내지 않음)을 통해 외부 전력원과 접속된다.

확산 전극 (14) 뒤의 기체 공간 (2)는 포개진 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)로더 분할된다. 기체 포켓 (2a-2d) 뒤의 후부 공간 (3)은 수집 챔버 (5)를 통해 전해질 통로 (15)에 있는 전해질 (100)과 압력 평형을 이루는 전해질 (100)을 담고 있다.

이어지는 여러 실시예들은 기체 포켓 (2a-2d)의 기체 유입구 및 기체 유출구의 특정 배열이 기본적으로 서로 다르다.

도 1에 도시된 것과 같이, 최하단 기체 포켓 (2a)에 기체를 직접 공급한 후, 잉여 기체는 딥 튜브 (12a)를 통해 기포 채널 (3a)로 보내진다. 기포 채널 (3a)는 정상부가 열려 있어, 후부 공간 (3)의 압력-보상 전해질 (100)과 서로 통한다. 기포 채널 (3a)의 측면과 정상부는 위의 그 다음 기체 포켓 (2b)에 있는 개구 (7)까지는 밀폐되어 있다. 기포 채널 (3a)의 후측면은 전기화학적 반전지 (1)의 후벽 (도 2 참고: B-B' 단면)에 의해 또는 독립적인 폐쇄벽 (나타내지 않음)에 의해 형성된다. 후자의 구조는 예를 들어, 삽입된 기체 포켓을 독립적으로 탈착할 수 있다. 상승 기포는, 기포 채널 (3a)에서의 기포 효과를 고려하여 바로 위의 기체 포켓 (2b)의 다른 측면에 있는 잉여 기체를 제거하기 위한 딥 튜브 (12b)의 단부에 의해 만들어지는 메니스커스 수평면에서 기포 채널 (3a)의 상부 영역에 있는 전해질과 분리되어 있다. 압력-보상 후방 액체 (이 경우는, 반응에 활발히 참여하는 전해질 (100)임)에서의 압력 보상은 후부 구조 부재 (6a-6d) (도 3 참조, C-C' 단면)에 있는 구멍 (19)를 통해 이루어진다. 후부 공간 (3)과 전해질 분배 챔버 (20) 사이의 배플 (18)에 의해 막 (13)과 기체 확산 전극 (14) 사이의 전해질 통로 (15)를 통한 활발한 흐름이 보장되는 한편, 상부 수집 챔버 (5)에서는 전해질 기체 (15)와 후부공간 (3)이 압력 보상을 위해 서로 연결된다.

<실시예 2>

도 1 및 더 상세히 도 4에서 설명되는 것과 같이 반전지 (1)의 특히 이로운 변형에서, 기포 채널 (3a-3d)는 각 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)로의 직접적인 개구는 없지만, 대신 기포 채널 (3a-3d) 이외에도 아래쪽만 뚫려 있는 영역 (22)에 기체 기포를 모으는 상부 영역에 옆으로 난 연결구 (21)을 갖는다. 도 4에서 도시된 것과 같이 분무에 의한 기포 터짐이 없는 정지 기체는 영역 (22)로부터 구멍 (23)을 통해 바로 위의 기체 포켓 (2b-2d)로 보내진다. 기포 채널 (3a-3d)의 수평 배열은 임의적인 것이고, 단지 각 전기화학적 반전지의 구조적 경계 조건에 의해서만 좌우된다. 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)를 통한 활발한 흐름의 결정적인 요인은 오로지 각 경우, 각 기체 포켓 (2a-2d)의 기체 유입구 및 유출구 개구의 측면 배열 뿐이고, 기체 유출구의 경우에, 경우에 따라 기체 유입구 맞은편에 있는 내부에 놓이고, 옆으로 위치하는 기체 수집 튜브 (나타내지 않음)에 의해 달성된다.

두 경우 모두에서, 전극 기체의 추가의 첨가는 아래쪽 기체 포켓 (2a-2c)에서 바로 위의 기체 포켓 (2b-2d)로 소비되지 않은 전극 기체가 방출될 때까지 유사한 서브-어셈블리를 통하여 캐스케이드 방식으로 일어나고, 소비되지 않은 전극 기체는 예를 들어 파이프 (11)을 통해 전해질과 함께 제거된다.

이런 변형은 수직 배열 구조를 갖는 전해 장치에 특히 적당하다.

<실시예 3>

압력 보상을 달성하는 추가의 또 다른 방법은 다음의 요소들을 특징으로 한다: 실시예 1에서 설명된 대로 최하단 기체 포켓 (2a)를 기체로 충전시킨 후, 도 5에서와 같이 잉여 기체는 통로 (30a)를 통해 그 외에는 모든 면이 밀폐되어 있는 기체 포켓 (2a)를 떠나서, 후측면이 따로 밀폐되어 있거나 전기화학적 반전지의 후벽과 기밀 밀봉되어 있는 사이드 에이프런 (31a)에 모아진다. 잉여 전극 기체는, 바닥이 열려 있어, 압력-보상 액체와 서로 통하는 사이드 에이프런 (31a)를 통해 에이프런 (31a)와 유사한 구조인 사이드 에이프런 (32a)로 기포를 일으킨다. 사이드 에이프런 (32a)는 기체 포켓 (31a)로부터 올라오는 기체 기포를 더 확실히 포획하기에 충분한 정도로 옆으로 뻗어 있다. 전극 기체가 이곳에 모이고, 통로 (30b)를 통해 바로 위의 기체 포켓 (2b)로 들어가게 된다. 잉여 기체는 통로 (30c)를 통해 기체 포켓 (2b)를 빠져 나가고, 이는 사이드 에이프런 (31b)에 모아져서, 범람해서 사이드 에이프런 (32b)에 모아진다. 이 과정은 실시예 1에서 설명된 것과 유사한 방식으로 기체가 전지를 빠져나갈 때까지 케스케이드 방식으로 반복된다. 사이드 에이프런의 밖과 기체 포켓 (2a-2d) 뒤의 영역이 압력-보상 액체로 일정하게 채워져야 한다는 것이 근본적인 특징이다. 이런 배열로는 특히 편평형 반전지의 제작이 가능하다.

<실시예 4>

예를 들어, 기체 포켓 (2a-2d)의 캐스케이드형 배열, 특히 윗쪽 기체 포켓에서 피할 수 없는 해롭거나 독성이 있는 기체의 축적을 없애야 하는 특수한 경우에는, 새로운 전극 기체로 각 기체 포켓 (2a-2d)를 직접 충전시키는 것이 필수적일 것이다. 도 6에 따른 배열에서는, 기체 유출구로 사용된 기포 채널 (42a-42d)를실시예 1에서의 배열과 유사한 방식으로 디자인하였다. 그러나, 실시예 1에서의 상황과는 달리 각 기체 유입 채널 (40a, 40b, 40c, 40d)가 각 기체 포켓까지 직접 확장되어서, 예를 들어 도 7에서의 A-A' 단면의 (41c)에서 제시된대로, 기체 포켓 (2c)로 대응하는 통로를 통해 빠져 나간다. 기포 채널 (40a-40d)는 바닥이 열려 있고, 압력-보상 액체 (전해질 (100))과 직접 서로 통하는 것이 필수적이다. 기체는 분배 튜브 (44)를 통해 기포 채널로 공급되고, 분배 튜브는 각 경우 노즐 (45)를 통해 적절한 기포 채널 (40a-40d)로 기체를 공급한다. 압력-보상 액체와 직접 통하기 때문에 각 노즐 (45)에는 등압 조건이 존재하고, 그 결과로 각 기포 채널로 기체가 균일하게 공급된다. 전해질 (100)이 노즐 (45)로 역류하는 것을 막기 위해, 노즐을 원뿔형 실링의 캡 (46)으로 씌운다 (도 7에서 A-A' 단면에서의 상세도 A 참조). 캡 (46)의 하부에 있는 슬릿 (47)을 통해 기포 방출을 조절한다. 압력 보상과 함께 도 8의 B-B' 단면에서 도시되는 것과 같이, 전극 기체는 기체 포켓을 통해 흘러 딥 튜브 (42c)를 통해 맞은편 단부에 있는 포켓 예를 들어, 포켓 (2c)를 빠져 나간다. 후부 구조 부재 (6a-6e)에 있는 틈 (19)는 기포의 자유로운 상승 및 필요한 압력 보상을 보장한다.

<실시예 5>

본 발명에 따른 반전지의 또 다른 변형이 도 9에서 도시되어있다: 이 변형에서는 직접 삽입 튜브 (50a, 50b, 50c, 50d)를 통해 개별 기체 포켓 (2a-2d)로 기체가 공급된다. 이런 경우 기체 포켓 (2a-2d)로의 기체를 균일한 공급을 확고히 하기 위해서는, 공급 파이프 (51)에 대해, 예를 들어 조절 밸브 (52a-52d)로 개별 파이프 (50a-50d)를 조절해야 한다. 그러나, 1 회용 또는 영구 설비 형태로 조정될 수 있다. 도 10에서의 A-A' 단면에서 도시된 것과 같이, 소비되지 않은 전극 기체는 앞선 실시예에서 설명된 것과 정확히 동일한 방법으로 상기 기체 포켓 (2c)를 통해 흐른 다음, 딥 튜브 (42c)를 통해 기체 포켓 (2c)를 빠져 나간다. 두 경우 모두에서, 기체 기포가 자유롭게 멀리 이동하고, 압력 보상이 일어나도록 보장하기 위해 후부 구조 부재 (6a-6e)는 틈을 갖는다.

특히, 마지막 변형은 특별히 편평형 반전지 제작을 가능케 한다.

Claims (15)

1. 전해질 (100)을 수용하는 1개 이상의 전극 공간 (3, 15), 기체 공간 (2), 및 기체 공간 (2) 및 전극 공간 (3, 15)를 분리하는 양극 또는 음극으로서의 1개 이상의 기체 확산 전극 (14)를 포함하며, 여기서 기체 공간 (2)는 전해질 (100)의 통로 (7)을 갖는, 서로 분리되어 포개진 2개 이상의 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)로 더 분할되어 있고, 각 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d) 내의 압력이 기체 확산 전극 (14) 앞면의 전극 공간 (3, 15)의 해당 부분 (15)에서의 액상 전해질 (100) 칼럼의 압력과 전해질 (100)의 통로 (7)에 의해 평형을 이루는, 개별 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)의 기체 유입구 (7) 및 기체 유출구 (12a, 12b, 12c, 12d)가 서로 공간적으로 분리되어 있음을 특징으로 하는 전기화학적 반전지 (1).
2. 제1항에 있어서, 각 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)의 기체 유입구 (7) 및 기체 유출구 (12a, 12b, 12c, 12d)가 서로에 대해 측면에 위치하도록 배열되어서, 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)에서 전극 기체가 옆으로 흐르는 것을 특징으로 하는 반전지.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 포개진 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)가 하부의 기체 포켓 (2a, 2b, 2c)의 기체 유출구 (12a, 12b, 12c, 12d)를 위에 놓인 기체 포켓 (2b, 2c, 2d)의 기체 유입구 (3a, 3b, 3c, 3d)와 연결함으로써 캐스캐이드식 배열로 서로 연결되어 있음을 특징으로 하는 반전지.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d) 각각이 직접 기체 유입구를 갖는 것을 특징으로 하는 반전지.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)가 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)로부터 잉여 기체를 제거하기 위한 딥 튜브 (42a, 42b, 42c, 42d)를 갖는 것을 특징으로 하는 반전지.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)가 직접 또는 간접적으로 통로 (7)과 연결된, 유입되는 전극 기체를 받기 위한 기포 채널 (3a, 3b, 3c, 3d)를 갖는 것임을 특징으로 하는 반전지.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)가 기체가 유입되는 측면의 기체 수집 에이프런 (32a, 32b, 32c, 32d) 및(또는) 기체가 유출되는 측면의 에이프런 (31a, 31b, 31c, 31d)를 갖는 것임을 특징으로 하는 반전지.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)가 직접 독립적인 기체 공급을 위해 전해질 (100)에 대해 열려 있는 기포 채널 (40a, 40b, 40c, 40d)를 갖는 것임을 특징으로 하는 반전지.
9. 제8항에 있어서, 기포 채널 (40a, 40b, 40c, 40d)로의 기체 공급이 사이드 슬릿을 갖는 원뿔형 실링 (46)에 의해 임의로 덮혀 있는 조절 노즐 (45)를 통해 일어나는 것임을 특징으로 하는 반전지.
10. 제4항에 있어서, 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)가 직접 기체 유입을 위한 삽입 파이프 (50a, 50b, 50c, 50d)를 갖고, 이 파이프에 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)로의 기체 흐름을 조절하기 위한 조절 밸브 (52a, 52b, 52c, 52d)가 임의로 각각 더 제공되는 것을 특징으로 하는 반전지.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 포개진 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)의 기체 유입구 (7) 및 기체 유출구 (12a, 12b, 12c, 12d)가 교대로 측면에 놓이거나 또는 각각 동일 측면에 놓이는 것을 특징으로 하는 반전지.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기체 확산 전극 (14)의 앞뒤에 있는 영역사이에서 압력차가 전해질 공간 (15) 및 전해질 후부 공간 (3)을 정수압으로 분리함으로써 자유롭게 조정될 수 있음을 특징으로 하는 반전지.
13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 최하단의 기체 포켓 (2a)로의 기체 유입 (10)이 전해질 유입구 (9)와 함께 하나의 연결 파이프 (10)을 통해 전극 공간 (3, 15) 쪽으로 동축을 따라 이루어지고(거나), 전해질과 함께 잉여 기체 방출이 유출 파이프 (11)을 통해 정상부에서 이루어짐을 특징으로 하는 반전지.
14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전해질 공간 (15)의 정상부가 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d) 뒤의 전해질 후부 공간 (3)과 정수압에 의해 연결되어서, 전해질 후부 공간으로 범람하고, 전해질 (22)와 함께 잉여 기체 방출은 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d) 뒤의 영역에서 스탠드 파이프를 통해 아래쪽으로 일어나거나, 동일한 높이에 위치한 기체-액체 분리 장치를 갖는 옆으로 배열된 파이프를 통해 비스듬히 일어나는 것을 특징으로 하는 반전지.
15. 제14항에 있어서, 전해질 (100)의 액체량을 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d) 뒤의 전해질 후부 공간 (3)에 있는 스탠드 파이프의 높이를 통해 또는 옆으로 배열된 파이프의 높이를 통해 전해질 통로 (15)에 있는 전해질 (100)의 양에 대해 다르게 조절할 수 있고, 이 방법에서 기체 공간 (2) 및 전해질 통로 (15) 사이의 압력차가 모든 기체 포켓 (2a, 2b, 2c, 2d)에 대해 달라질 수도 있는 것을 특징으로 하는 반전지.