管式電解槽的制作方法

本發明涉及一種管式電解槽，特別是，涉及一種具有減小尺寸的管式電解槽，從而克服了安裝空間的限制并降低了制造成本，同時提供了管式電解槽的優點。

背景技術：

作為用于電解電解質溶液，例如海水、鹽水等的電解槽的典型實例，存在有管式電解槽。

管式電解槽具有通常由外管和內管構成的管式電極。內管是組合的雙極管電極，其中一部分用作陽極，另一部分用作陰極。外管包括陽極部分、陰極部分和設置在其中心部分的絕緣間隔件，其中陽極部分和陰極部分設置成與內管的陽極和陰極相對。或者，內管和外管兩者都可以是具有單一極性的單極電極。

在管式電解槽中，當在陽極和陰極之間施加直流電源以在電解質溶液沿著內管和外管的表面流動時進行電解，產生電解的水。

電解可以用于各種方法，例如通過海水或鹽水的電解來生產氯、氫氧化鈉、次氯酸鈉等，通過水的電解來生產氫和氧，通過二氧化碳的電解來生產各種有機化合物，氨或有機物質的分解，酸性水和堿性水的生產等。

在這些方法中，以下示出了從海水或鹽水產生次氯酸鈉的典型電解方法的化學方程式。

陽極反應:2cl-→cl2+2e-

陰極反應:2h2o+2e-→2oh-+h2

主體反應:cl2+2naoh→naocl+nacl+h2o

通過氯離子的氧化在陽極側產生氯(cl2)，并且通過水分解在陰極側產生氫氣(h2)和羥基離子(oh-)。在陰極側產生的羥基離子(oh-)在主體相中與鈉離子(na+)反應生成氫氧化鈉(naoh)，在主體相中氫氧化鈉(naoh)與在陽極產生的氯(cl2)反應生成次氯酸鈉(naocl)。以這種方式生產的次氯酸鈉(naocl)用于降低生物活性，或用于各種滅菌(消毒)和清潔的用途。

在電解過程中，電解質溶液中所含的諸如(ca和mg)的硬度材料通過以下所敘述的化學反應在陰極電極上形成水垢，累積的水垢降低了電解效率，從而導致槽電壓的增加，阻礙流體的流動，并在極端的情形下引起因電極之間的短路造成的物理損壞。

水垢形成反應:hco3^-+naoh→co3^2-+h2o+na⁺

ca²⁺或mg²⁺+co3^2-→caco3或mgco3

ca²⁺或mg²⁺+2oh-→ca(oh)2或mg(oh)2

在韓國專利申請公開號10-2006-0098445(電子水處理系統及其控制方法)中公開了防止水垢累積的現有技術。根據該技術，用作陽極的陽極桿安裝在流體流過的管道的內部，圍繞陽極桿的殼體用作陰極，并且電流流過陽極桿以在流體通道中形成電磁場，從而防止水垢產生。也就是說，當流體沿著其中形成有電磁場的流體通道流動時，由于電磁場充分地產生自由電子，流體中所含的無機物質變得結構穩定，從而防止了水垢形成。

該現有技術需要產生均勻的電磁場密度以抑制水垢的產生。然而，在沿著流體通道流動的流體的流速不恒定而是波動的情況下，難以保持電磁場的均勻密度。因此，難以有效地阻止水垢形成。也就是說，通過電性方法防止水垢形成的該現有技術需要先進的技術以根據流體的流速精確地控制電流的強度。因此，實質上完美地防止水垢形成是不容易的，因而需要機械地除去生成的水垢。

為了解決該技術的問題，公開有韓國專利申請號10-2012-0032399(名稱為“管式電解槽”)。“管式電解槽”提供了一種電解槽，其中去除了流體通過區域中的電極的角部，以防止在電解槽操作期間在陰極表面上形成水垢。該管式電解槽的結構如圖1至圖6所示。

參考圖1至圖6，根據現有技術，管式電解槽(10)包括：設置在其中間部分的絕緣間隔件(11)；設置在絕緣間隔件(11)的一側的陽極外管(12)；以及設置在絕緣間隔件(11)的另一側的陰極外管(13)。陰極內管(未示出)安裝在陽極外管(12)的內部，陽極內管(13')安裝在陰極外管(13)的內部。絕緣襯套(14)、螺旋塊(15)、固定襯套(16)和入口/出口連接接頭(17)通過耦合構件(18)與電解槽(10)的一端組裝在一起。由于使用螺旋塊(15)，當流體通過形成在螺旋塊(15)中的螺旋孔(15a)流入和流出電解槽(10)時，由于流體通道具有螺旋形狀，所以流體可以以恒定均勻的流速流動。這防止了在電解反應期間所產生的氫氣h2和氧氣o2在特定部分被局部濃縮，這消除了因氣體導致的表面反應的干擾因素，并且能夠均勻地進行反應。因此，可以獲得電解反應效率提高和電解槽壽命增加的效果。

另外，多個電解槽(10)，每個槽皆為具有上述結構的管式電解槽(10)，彼此串聯連接以形成如圖1所示的單元模塊(20)。因此，可以容易地提供具有期望容量的模塊。此外，如圖2所示，多個單元模塊(20)可以彼此并聯連接以增加電解容量。

由管式電解槽(10)組成的電解模塊比使用平板電極的現有的立方體式電解模塊具有更高的耐受電壓和更簡單的結構。此外，由于此電解模塊具有改進的速度分布，可以最小化水垢的累積并促進氫氣排放。

然而，在現有的管式電解槽的情況下，由于只有電極的一個表面參與電解反應，大量的材料很可能被浪費。此外，由于管式電解槽需要龐大的安裝空間，在小地方很難使用管式電解槽。另外，由于管式電解槽的部件數量大，且部件的組裝復雜，使得制造成本增加。

此外，在現有的管式電解槽的情況下，電極上的電流分布是不均勻的。因此，當現有的管式電解槽被布置成多階時，難以得到均勻的反應，電極的壽命減短，并且產生過多的熱量。

[背景技術文獻]

(專利文獻1)韓國專利申請公開號10-2006-0098445(電子水處理系統及其控制方法)

技術實現要素：

[發明所要解決的技術問題]

因此，本發明是考慮到現有技術中出現的上述問題而產生，并且本發明的一個目的在于提供一種管式電解槽，其可以藉減少部件的數量和簡化制造方法來減少電解模塊的制造成本，并且可以藉其為具有相同容量的常規電解槽的尺寸的大約一半的尺寸，以克服空間限制的問題，同時提供了被證明是安全的現有技術的優點。

即，本發明在考慮到上述問題被設計，并且旨在提供一種具有減小的尺寸、同時維持電解性能的改進的管式電解槽，從而節省了安裝空間和制造成本。

此外，本發明的另一個目的是藉著使電流均勻分布于布置在多階的各個管式電解槽，以提高反應的均勻性和效率。

[解決問題的技術方案]

為了實現上述目的，本發明提供了一種管式電解槽，包括：一對終端電極，終端電極包括外部電極以及內部電極，外部電極以及內部電極具有彼此電性連接的各自的第一端，以及彼此分開的各自的第二端；以及管式雙極電極，安裝于終端電極之間，并且與終端電極電性絕緣。

管式電解槽可以更包括：絕緣單元，支撐終端電極的分開的第二端并且將終端電極彼此連接；以及螺旋塊，與終端電極的連接的第一端相結合并設置有螺旋導引孔，流體通過螺旋導引孔。

終端電極可以包括連接板，連接板支撐并連接內部電極的第一端以及外部電極的第一端，并且連接板設置有流體通孔，流體通孔連通形成于內部電極以及外部電極之間的一通道，由此將流體引導到通道。

管式電解槽可以更包括：終端絕緣間隔件，設置于雙極電極的各端以將雙極電極從連接板、內部電極以及外部電極電性絕緣并隔開。

具有管式形狀的外部電極的外表面以及具有管式形狀的內部電極的內表面中的任一者或兩者，鍍有具有高導電性的金屬，其中該外表面以及該內表面不參與電解反應。

設置有流體通孔的連接板與外部電極以及內部電極可以通過焊接連接。

形成在連接板中的流體通孔可以為通孔，與形成在螺旋塊的螺旋導引孔對準。

可以形成定位導引銷，從連接板的外表面突出，螺旋塊可以與連接板的外表面相結合，并且螺旋塊可以設置有多個螺旋導引孔，螺旋導引孔被布置在圓周方向上以對應于連接板的流體通孔。

螺旋塊上可以設置有定位孔，當螺旋塊與連接板相結合，定位導引銷被插入到定位孔內，使螺旋導引孔與連接板的流體通孔良好地對準。

絕緣單元可以包括：外部絕緣間隔件，設置在雙極電極的外表面在縱向方向上的中間部分；以及內部絕緣間隔件，設置在雙極電極的內部在縱向方向上的中間部分。

管式電解槽可以還包括：絕緣單元，支撐并將終端電極分開的第二端彼此連接；以及螺旋塊，與終端電極的連接的第一端相結合，并設置有螺旋導引孔，流體通過螺旋導引孔。

外部絕緣間隔件可以包括：多個突出部，形成在外部絕緣間隔件的內表面在縱向方向上的中間部分，并在圓周方向上以規則的間隔設置，突出部與中間電極的外表面接觸；以及一對電極連接部分，設置在外部絕緣間隔件的各端，外部電極插入電極連接部分，電極連接部分具有比外部絕緣間隔件的中間部分的內徑大的內徑，使得電極連接部分的內表面以及外部絕緣間隔件的中間部分的內表面形成臺階形狀。

內部絕緣間隔件可以包括：多個突出部，設置在中間電級在縱向方向上的中間部份，在圓周方向上以規則的間隔設置，并形成從內部絕緣間隔件的外表面突出；以及一對電極連接部分，設置在內部絕緣間隔件的各端，并具有比內部絕緣間隔件的中間部分的外徑小的外徑，使得電極連接部分的外表面以及內部絕緣間隔件的中間部分的外表面形成臺階形狀，其中電極連接部分插入內部電極內。

管式電解槽可以還包括：連接管或入口/出口連接接頭與終端電極的第一端相結合，并用來連接管式電解槽中的一個到另一個管式電解槽，其中連接管或入口/出口連接接頭被構造成使得其底表面朝向連接管或入口/出口連接接頭的一端向上傾斜。

[有益的效果]

根據本發明，由于管式電解槽具有雙極性電極的外表面和內表面兩者的都參與電解的結構，與具有相同尺寸的現有電解槽相比電解效率為雙倍。因此，能夠藉由連接多個管式電解槽來降低制造成本以及制造的電解模塊的尺寸。

此外，當構成一個多階電解槽時，電極不參與電解反應的一個表面，鍍有具有高導電性的金屬。這具有在電極的整個區域均勻電流分布的效果，從而改善電解反應的均勻性和效率。

根據本發明的管式電解槽相比于需要龐大的安裝空間的現有的電解槽，減少了一半的安裝空間，同時保持相同的電解性能，從而降低了成本。

附圖說明

圖1為現有的單元電解模塊的透視圖；

圖2為現有的高容量電解模塊的透視圖；

圖3為現有的管式電解槽的透視圖；

圖4為圖3的a部份的放大圖；

圖5為圖3的b部份的放大圖；

圖6為說明圖5所示的螺旋塊的透視圖；

圖7為根據本發明的一實施例的管式電解槽的透視圖；

圖8為圖7的d1部份的放大圖；

圖9為圖7的d2部份的放大圖；

圖10為圖7的d3部份的放大圖；

圖11為說明圖7所示的管式電解槽的中間電級的透視圖；

圖12為說明圖11的結構的主要部份的剖面圖；

圖13為說明外部電級與內部電級彼此連接的連接部分的圖；

圖14為說明圖7的外部絕緣間隔件的圖；

圖15為說明圖7的內部絕緣間隔件的圖；

圖16為說明圖7的螺旋塊的圖；

圖17a為說明連接管的一示例的圖；以及

圖17b為說明入口/出口連接接頭的一示例的圖。

具體實施方式

在下文中，將參照附圖說明根據本發明的一個實施例的管式電解槽。

參考圖7至16，根據本發明的一個實施例，電解單元模塊包括：管式電解槽(110)；連接管(120)，連接到管式電解槽(110)的一端；以及入口/出口連接接頭(130)，與管式電解槽(110)的第二端相結合。

根據本發明的一實施例的管式電解槽(110)包括一對終端電極、雙極電極、絕緣單元以及螺旋塊(118)。

在此，上述一對終端電極包括內部電極(115a和115b)、外部電極(114a和114b)、以及連接板(116)。通過連接板(116)，內部電極(115a和115b)的第一端電性連接到外部電極(114a和114b)的第一端。

雙極電極包括安裝在內部電極(115a和115b)與外部電極(114a和114b)之間的管式中間電極(111)。

即，中間電極(111)是在其相對側具有相反極性的雙極電極。如圖11和12所示，中間電極(111)的各端設置有絕緣終端間隔件(117)。具體而言，中間電極(111的每個端部設置有三個絕緣終端間隔件(117)。三個絕緣終端間隔件(117)可以120°的相等的角度間隔設置。然而，終端絕緣間隔件(117)的數量和間隔不局限于此。更具體地，絕緣終端間隔件(117)可以被設置成從中間電極(111)的一端在縱向方向上向外突出，并從中間電極(111)的外表面突出。在此端，各絕緣終端間隔件(117)設置有耦合銷(117a)，該耦合銷被裝配到設置在中間電極(111)的一端部的耦合孔(111b)。因為終端絕緣間隔件(117)的緣故，中間電極(111)可以以預定的距離與外部電極(114a和114b)以及連接板(116)隔開。因此，中間電極(111)可以與外部電極以及連接板電性絕緣。絕緣終端間隔件(117)的形狀不局限于上述的結構。也就是說，如果絕緣終端間隔件(117)可以將中間電極(111)與外部電極(114a和114b)以及連接板(116)隔開，從而將中間電極(111)與外部電極(114a和114b)以及連接板(116)電性絕緣，絕緣終端間隔件(117)可以具有任何形狀。然而，對于絕緣終端間隔件(117)的結構，存在進一步的要求，即它不應該阻擋通過形成在連接板(116)的流體通孔被引入到形成在電極之間的通道的電解質溶液。

絕緣單元包括：外部絕緣間隔件(112)，安裝在中間電極(111)的外部，在中間電極(111)其縱向方向的中間部分；以及內部絕緣間隔件(113)，安裝在中間電極(111)的中間部分的內部。絕緣的進一步的詳細描述稍后說明。

外部電極(114a和114b)具有管的形狀。外部電極的一個外部電極(114a)用作陰極，而另一個外部電極(114b)用作陽極。外部絕緣間隔件(112)設置在外部電極(114a)和外部電極(114b)之間，以將外部電極(114a和114b)彼此電性絕緣并且將外部電極(114a和114b)與中間電極(111)隔開。如圖15所示，外部絕緣間隔件(112)的內表面的中間部分上設置有突出部(112a)，突出部(112a)使外部絕緣間隔件(112)的內表面以預定的距離與中間電極(111)的外表面間隔開。突出部(112a)可以在外部絕緣間隔件(112)的圓周方向上以規則的間隔布置，并與中間電極(111)的外表面表面接觸。外部絕緣間隔件(112)的各端設置有外部電極連接部分(112b)，外部電極(114a和114b)的端部插入外部電極連接部分(112b)，其中，外部電極連接部分(112b)具有大于外部絕緣間隔件(112)的中間部分的內徑的內徑。即，外部電極連接部分(112b)的內表面以及外部絕緣間隔件(112)的中間部分的內表面形成臺階形狀。因此，外部電極(114a和114b)藉由外部絕緣間隔件(112)被支撐在外部絕緣間隔件(112)上并且彼此絕緣。

如上所述，外部電極(114a和114b)的相鄰端與外部絕緣間隔件(112)組裝，而另一端分別與連接管(120)或入口/出口連接接頭130)組裝。

此外，外部電極(114a和114b)的第一端通過連接板(116)連接到內部電極(115a和115b)的第一端。連接板(116)由金屬制成。內部電極(115a和115b)的第一端以及外部電極(114a和114b)的第一端通過連接方法連接，例如不增加電阻的焊接。因此，對于由連接板(116連接的內部電極(115a和115b)以及外部電極(114a和114b)，彼此連接的外部電極(114a)和內部電極(115a)具有相同的極性(即，兩者皆作為陰極)，外部電極(114b)和內部電極(115b)具有相同的極性(即，兩者皆作為陽極)。

內部絕緣間隔件(113)設置在內部電極(115a和115b)之間，使得內部電極(115a和115b)藉由內部絕緣間隔件(113)彼此電性絕緣。內部絕緣間隔件(113)還將內部電極(115a和115b)與中間電極(111)隔開且電性絕緣。

在此，內部絕緣間隔件(113)安裝在中間電極(111)的內部的中間部分，并在其外部表面上設置有多個突出部(113a)。突出部(113a)從內部絕緣間隔件(113)的外表面(113c)突出，并且沿圓周方向以規則的間隔配置。突出部(113a)與中間電極(111)的內表面接觸。內部絕緣間隔件(113)的各端設置有內部電極連接部分(113b)，內部電極連接部分(113b)具有比內部絕緣間隔件(113)的中間部分的外徑更小的外徑，使得內部電極連接部分(113b)的外表面以及內部絕緣間隔件(113)的中間部分的外表面形成臺階形狀。因此，內部絕緣間隔件(113)的內部電極連接部分(113b)可以分別被插入到內部電極(115a和115b)的相鄰的端。內部絕緣間隔件(113)支撐內部電極(115a和115b)，同時將內部電極(115a和115b)彼此電性絕緣，并且將內部電極(115a和115b)與中間電極(111)隔開且電性絕緣。

外部絕緣間隔件(112)以及內部絕緣間隔件(113)的結構不局限于上述。外部絕緣間隔件(112)以及內部絕緣間隔件(113)可以為能夠滿足以下條件的任何結構：外部電極(114a和114b)可以在彼此電性絕緣的狀態下被支撐；內部電極(115a和115b)可以在彼此電性絕緣的狀態下被支撐；以及外部電極和內部電極藉一預定的距離與中間電極(111)隔開并且電性絕緣。在這種情況下，提供用以將外部電極和內部電極與中間電極(111)隔開并且電性絕緣的外部絕緣間隔件(112)的突出部(112a)以及內部絕緣間隔件(113)的突出部(113a)，優選配置為不妨礙沿著設置在外部電極與中間電極之間的通道以及設置在內部電極與中間電極之間的通道流動的電解質液的流動。

根據上述結構，相對于外部電極(114a和114b)以及內部電極(115a和115b)，電源是相反地供給到雙極電極，即管式中間電極(111)，管式中間電極(111)被設置在外部電極(114a和114b)與內部電極(115a和115b)之間并隔開。因此，在流體沿著中間電極(111)的外表面以及內表面流動的情況下發生電解反應。因為電解反應在流體沿著中間電極(111)的外表面以及內表面流動的情況下發生，本發明的管式電解槽顯示比現有的管式電解槽兩倍或更高的電解性能。即，即使與現有的管式電解槽相同的體積，本發明的管式電解槽能夠獲得比現有的管式電解槽高兩倍的電解效率。由于本領域的技術人員可以容易地理解該管式電解槽的詳細結構和操作，將不會進一步的進行描述。

另外，連接板(116)設置有多個流體通孔(116a)，該些流體通孔(116a)在尺寸上相等并且以規則間隔布置在連接板(116)的圓周方向上，使得流體可被引入到內部電極(115a和115b)與外部電極(114a和114b)之間的間隙。此外，一個或多個定位導引銷(116b)形成為從連接板(116)的外表面突出。定位導引銷(116b配置成當電極的組合結構與螺旋塊相結合時，使電極的組合結構與螺旋塊(118精確且準確地對準。

另外，連接板(116)可以由設置在多階中的多個板構成。在這種情況下，板被堆疊，使得設置于每個板的流體通孔未對準。也就是說，通過這些板的流體通孔延伸的流體路徑可能形成螺旋形狀。或者，每個流體通孔(116a)可在連接板(116)以螺旋形式延伸，從而引導流體沿著螺旋流動路徑。

螺旋塊(118)連接到連接板(116)的外表面。螺旋塊(118)上設置有多個螺旋導引孔(118a)，在螺旋塊(118)的圓周方向上間隔設置。由于流體穿過螺旋導引孔(118a)時螺旋流動，流體的速度分布均勻。另外，螺旋塊(118)上設置有用于定位螺旋塊(118)的定位孔(118b)，使得當螺旋塊(118)連接到連接板(116)時，螺旋塊(118)的導引孔(118a)可與連接板(116)的流體通孔(116a)精確且準確地對準。當連接板(116)的定位導引銷(116b)被插入到定位孔(118b)中，流體通孔(116a)被自動地與導引孔(118a)對準。因此，流體可以沒有流動阻力地流動。螺旋塊(118)組裝到連接管(120)或入口/出口連接接頭(130)。

另外，關于中間電極(111)，每個外表面以及內表面在縱向方向而言的一半被涂覆有陽極材料。也就是說，中間電極(111)的外表面以及內表面兩者都可用于電解反應，這不同于現有技術。因此，電解容量加倍。

此外，終端電極之間，用作陰極的外部電極(114a)和用作陰極的內部電極(115a)是由不銹鋼或鎳合金制成。用作陰極的外部電極(114a)和內部電極(115a)通過連接方法，例如不增加電阻的焊接，連接到連接板(116)。此外，當電解質溶液流動時，電極不參與電解反應的一個或多個表面，例如內部電極(115a)的內表面或外部電極(114a)的外表面，優選地涂覆有具有高導電性的金屬，其在電解反應期間在電極的整個長度均勻地分布電流強度。因為這個原因，相較于現有的多級的電解槽，電解反應的均勻性和效率可以提高，并且在電解反應時產生的熱可以被控制。

此外，終端電極中，用作陽極的外部電極(114b)和內部電極(115b)由鈦制成。外部電極(114a)的內表面和內部電極(115b)的外表面涂覆有氧化鉑，以形成不溶性電極。進一步，如上述作為陰極的電極，這些電極以相同方式被鍍并焊接，并從而保持導電性。

具有上述結構的多個管式電解槽(110)串聯布置，并且其相鄰端通過連接管(120)彼此連接，使得流體能夠從一個槽流到另一個。

此外，多個管式電解槽(110)中，最外面的電解槽(110)連接到入口/出口連接接頭(130)。也就是說，兩個最外面的管式電解槽(110)的外端連接到連接管(120)或入口/出口連接接頭(130)。或者，最外面的管式電解槽(110)中的一個的外端可連接到連接管(120)，而另一個最外面的管式電解槽(110)的外端可以連接到入口/出口連接接頭(130)。

在至少連接管(120)和入口/出口連接接頭(130)的任一個中，內部流體通道，即流體通道，具有錐形形式，使得流體的移動和氫的分離變得容易。即，連接管(120)以及/或入口/出口連接接頭(130)具有朝向其外端向上傾斜的底部表面(121和131)，如圖17a和17b所示。

如上所述，電解單元模塊(100)由多個彼此串聯連接的管式電解槽(110的構成。

如上所述，根據本發明的實施例的管式電解槽(110)構造為使得管式雙極電極(即中間電極)設置于由外部電極和內部電極所組成的終端電極之間，從而使電解反應能發生在雙極電極的內表面和外表面兩者。以這種方式，以往需要兩個現有的電解模塊所進行的電解反應的量可以由一個電解模塊來執行。也就是說，根據本發明，管式電解槽可以得到相等于現有的管式電解槽的電解性能，即使尺寸僅為一半。此外，根據本發明，電極材料的量減少到約65％，環氧模塑材料的量和框架的量也減少約50％。即，本發明的管式電解槽大幅地具有成本效益，因為它能夠減少尺寸和材料成本，同時保持電解容量。

當由具有上述結構的管式電解槽所組成的電解模塊應用于船舶的情況下，它可以被安裝在老船舶以及新船舶，因為它僅需要減少的安裝空間。

本發明的管式電解槽可以應用于能夠電解一般水如淡水的電解裝置以及電解海水、鹽水等的電解裝置。

雖然基于說明的目的公開了本發明的優選實施例，本領域技術人員將理解，在不脫離本發明附件的權利要求的范圍和精神的情況下，各種修改、添加和替換都是可能的。

附圖標記

50電解模塊

100單元電解模塊

110管式電解槽

120連接管

130入口/出口連接接頭