KR100893621B1 - Method for manufacturing membrane electrode assemblies for an electrolytic ozone generator - Google Patents

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Abstract

본 발명은 오존 발생을 위한 전기화학 셀용 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)를 구성하는 이온 교환막의 일측에 탄탈륨 전극 촉매층을 갖도록 구성하는 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체 및 그 제조방법과 이를 구비하는 전기화학 셀에 관한 것으로서, 양극 전극 촉매층을 탄탈륨 백금 전극 촉매층으로 구성한 것이다. 본 발명은 양극 전극 촉매로 탄탈륨을 사용함으로써 양극에서의 과전압을 저감시켜 전기분해시 운전비용을 대폭 절감할 수 있을 뿐만 아니라 반응효율을 안정화하여 그 내구성을 향상시키는 효과가 있다.The present invention provides an electrochemical ozone generating membrane electrode assembly and a method of manufacturing the same, including the tantalum electrode catalyst layer on one side of the ion exchange membrane forming the electrochemical cell membrane electrode assembly for ozone generation. It is related with a chemical cell, Comprising: A positive electrode catalyst layer consists of a tantalum platinum electrode catalyst layer. According to the present invention, by using tantalum as the anode electrode catalyst, the overvoltage at the anode can be reduced to drastically reduce the operating cost during electrolysis, and the reaction efficiency can be stabilized to improve durability.

Description

전기화학적 오존 발생용 막전극접합체의 제조방법{Method for manufacturing membrane electrode assemblies for an electrolytic ozone generator}Method for manufacturing membrane electrode assemblies for an electrolytic ozone generator

본 발명은 오존을 제조하는 전기화학 셀에 관한 것이며, 특히, 오존 발생을 위한 전기화학 셀용 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)를 구성하는 이온 교환막의 일측에 탄탈륨 전극 촉매층을 갖도록 구성하는 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기와 같은 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체를 구비하는 전기화학 셀에 관한 것이기도 하다. 즉, 본 발명은 본 발명자들이 기 출원한 대한민국 특허출원 제2005-0016642호(다공성 전극 촉매층을 갖는 막전극접합체의 제조방법), 제2005-0016639호(막전극접합체의 제조방법) 및 제2005-0016637호(막전극접합체의 제조방법) 등의 발명에 이은 연구결과로서 오존 발생기에 적합한 막전극접합체 관련 기술에 대한 것이다. The present invention relates to an electrochemical cell for producing ozone, and in particular, electrochemical ozone generation configured to have a tantalum electrode catalyst layer on one side of an ion exchange membrane constituting a membrane electrode assembly for an electrochemical cell for ozone generation. It relates to a membrane electrode assembly and a method of manufacturing the same. The present invention also relates to an electrochemical cell having the membrane electrode assembly for electrochemical ozone generation as described above. That is, the present invention relates to Korean Patent Application Nos. 2005-0016642 (Method for producing membrane electrode assembly having porous electrode catalyst layer), 2005-0016639 (Method for producing membrane electrode assembly) and 2005- filed by the present inventors. As a result of the invention following 0016637 (Method for Manufacturing Membrane Electrode Assembly), the present invention relates to a membrane electrode assembly related technology suitable for an ozone generator.

오존은 일반적으로 무성방전(silent electric discharge process), 코로나 방전(corona discharge) 등의 방법으로 제조되며, 이때 필요한 에너지는 다음과 같다.Ozone is generally manufactured by a method such as a silent electric discharge process or a corona discharge, and the energy required is as follows.

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코로나 방전에 의해 제조되는 오존의 농도는 약 2%O3(중량비)로 농도가 낮으며, 인체에 유해한 NOx와 같은 질소산화물이 생성된다. 반면에 또다른 방법으로 전기분해에 의해 오존을 제조하는 방법은 즉, 양단의 전극에 직류 전류를 인가하고 그 전극 사이를 전해질을 통과시켜 제조할 수 있다. 예를 들어, 물을 전기분해하면 원소 성분인 O2와 H2로 분해되며, 적절한 조건하에서는 오존(O3)도 생성된다.The concentration of ozone produced by corona discharge is low at about 2% O 3 (weight ratio), and nitrogen oxides such as NO x , which are harmful to human body, are produced. On the other hand, another method of producing ozone by electrolysis may be prepared by applying a direct current to electrodes at both ends and passing an electrolyte between the electrodes. For example, when water is electrolyzed, it is decomposed into elemental components O 2 and H 2 , and under appropriate conditions, ozone (O 3 ) is also produced.

전기분해에 의한 O3 제조에 필요한 에너지는 다음과 같다.The energy required for the production of O 3 by electrolysis is as follows.

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반응식 1과 반응식 2를 비교하면 전기분해에 의한 방법의 △H_298가 무성방전 또는 코로나 방전법에 비해 6배가량 큼을 알 수 있다. 이는 구체적으로 전기분해에 의한 오존 제조방법의 에너지 비용이 6배가량 큼을 의미한다.Comparing Scheme 1 and Scheme 2, it can be seen that ΔH_ 298 of the electrolytic method is about 6 times larger than the silent discharge or corona discharge method. This means that the energy cost of the ozone production method by electrolysis is about 6 times greater.

일반적으로 방전법에 의한 방법보다 전기화학적 오존 발생 방법은 높은 전기에너지 소비로 인한 운전비용이 높지만 매우 고농도의 오존 제조가 가능하여 많은 연구 및 제품 개발이 이루어져 왔다.In general, the electrochemical ozone generation method has a higher operating cost due to the higher electrical energy consumption than the discharge method, but a lot of research and product development has been made since it is possible to manufacture a very high concentration of ozone.

전기화학적 방법에 의한 오존의 제조는 100년 이상의 역사를 가지고 있으며, 일부 문헌에서는 35%까지 전기화학적 효율(전류효율)을 얻을 수 있음을 보고하고 있다. 전류효율이란 전해질에 공급된 전기에너지에 대하여 오존발생에 사용된 에너지의 비율이다. 예를 들어, 35%의 전류효율이란 공급된 전기에너지에 의해 양극(Anode)에서 발생하는 산소(O2)와 오존(O3)가스 중 오존이 35%임을 의미한다. 그러나 이와 같은 전기화학적 효율을 얻기 위해서는 운전온도를 -30℃ ~ -65℃로 낮게 유지해야 가능했으며, 이렇게 낮은 온도 유지를 위해서는 고가의 냉장설비는 물론이고 운전에 많은 에너지를 부가로 필요로 하였다.The production of ozone by electrochemical methods has a history of more than 100 years, and some literature reports that up to 35% can achieve electrochemical efficiency (current efficiency). Current efficiency is the ratio of the energy used to generate ozone to the electrical energy supplied to the electrolyte. For example, 35% current efficiency means that 35% of the ozone (O 2 ) and ozone (O 3 ) gas generated from the anode is 35% by the supplied electrical energy. However, in order to obtain such an electrochemical efficiency, it was possible to keep the operating temperature low at -30 ° C to -65 ° C. In order to maintain the low temperature, not only expensive refrigeration equipment but also a lot of energy was added to the operation.

외부에서 전기에너지를 받아 화학반응을 일으키는 장치를 전해조라고 하며, 전해조내 화학반응의 핵심은 전자를 내놓는 산화반응과 전자를 받아들이는 환원반응이다. 이러한 반응은 전극과 용액의 계면에서 일어나며, 전극은 전도성이 우수한 전도체이어야 한다. 전해조 운전 시, 전해조내의 전극은 외부의 전원과 회로에 의해 연결되며, 외부 회로를 통하여 양극과 음극 사이를 전자가 이동한다. 전해조에 대하여 완전한 전기회로를 구성하기 위해서는 전하의 이동 경로가 내부에 존재해야 한다. 이는 이온 전도에 의해 전하가 이동될 수 있도록 한 종류 이상의 전해질이 존재하여야 하며, 반드시 전해질은 전해조내 단락(short circuiting)을 방지하기 위하여 전도도가 낮아야 한다. 가장 간단한 전해조는 최소 2개의 전극과 1개 이상의 전해질을 요구한다.An electrolytic cell is a device that generates chemical reactions by receiving electrical energy from the outside. The core of the chemical reactions in the electrolytic cell are oxidation reactions that give up electrons and reduction reactions that accept electrons. This reaction occurs at the interface between the electrode and the solution, and the electrode must be a good conductor of conductivity. In electrolyzer operation, the electrodes in the electrolyzer are connected by an external power source and a circuit, and electrons move between the positive electrode and the negative electrode through the external circuit. In order to form a complete electrical circuit for an electrolyzer, charge transfer paths must be internal. This means that at least one electrolyte must be present so that charge can be transferred by ion conduction, and the electrolyte must be low in conductivity to prevent short circuiting in the electrolytic cell. The simplest electrolyzer requires at least two electrodes and one or more electrolytes.

전기화학 반응을 일으키기 위해서는 전극들(양극과 음극)에 전기를 공급해야 한다. 전기분해 반응에 필요한 전위는 전극의 형태 및 구조에 관계없이 약 2 ~ 3 volts D.C.(직류), 또한 전류는 전류밀도 기준으로 0.1 A/cm2 ~ 1.5 A/cm2 범위내에서 결정된다.In order to cause an electrochemical reaction, electricity must be supplied to the electrodes (anode and cathode). The potential required for the electrolysis reaction is determined from about 2 to 3 volts DC (direct current), regardless of the shape and structure of the electrode, and the current is in the range of 0.1 A / cm 2 to 1.5 A / cm 2 on the basis of the current density.

오존 발생용 전해조는 물을 전기화학적으로 분해하여 수소와 산소를 포함한 오존을 발생하는 장치이다. 예를 들어, 수소이온 교환막 전기분해 셀(proton exchange membrane electrolysis cell)은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소 및 오존가스를 생산하는 기능을 한다.An ozone generating cell is an apparatus that generates ozone including hydrogen and oxygen by electrochemically decomposing water. For example, a proton exchange membrane electrolysis cell serves to produce hydrogen gas, oxygen and ozone gas by electrochemically decomposing water.

도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소 및 오존가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀의 개념도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 물(H20)은 양극(110)으로 공급되어 산소가스(O2) 및 오존가스(O3)와 전자(e-) 그리고 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해된다. 이때, 물(H20)의 일부분은 산소가스(O2) 및 오존가스(O3)와 함께 전기분해 셀(100)의 외부로 유출된다. 그리고 분해된 수소이온(H+)은 수소이온 교환막(120)을 통과하여 음극(130)(수소극)으로 이동하여, 양극(110)과 음극(130)을 연결하는 외부회로(140)를 따라 이동한 전자(e-)와 반응하여 수소가스(H2)가 된다. 그리고 수소가스(H2) 및 수소이온(H+)과 동반하여 수소이온 교환 막(120)을 통과한 물(H20)은 전기분해 셀(100)의 외부로 유출된다. 이때, 양극(110)과 음극(130)에서 각각 일어나는 전기화학적 반응을 표현하면 반응식 3, 4 그리고 5와 같다.1 is a conceptual diagram of a typical electrolysis cell that electrochemically decomposes water to produce hydrogen gas and oxygen and ozone gas. As shown in FIG. 1, water (H 2 0) is supplied to the anode 110 to supply oxygen gas (O 2 ) and ozone gas (O 3 ), electrons (e ), and hydrogen ions (H + ) (protons). Decompose to At this time, a portion of the water (H 2 0) is discharged to the outside of the electrolysis cell 100 together with the oxygen gas (O 2 ) and ozone gas (O 3 ). The decomposed hydrogen ions (H + ) pass through the hydrogen ion exchange membrane 120 and move to the cathode 130 (hydrogen electrode), along the external circuit 140 connecting the anode 110 and the cathode 130. moving the electron (e -) is reacted with hydrogen gas (H 2). In addition, the water (H 2 0) passing through the hydrogen ion exchange membrane 120 in conjunction with the hydrogen gas (H 2 ) and hydrogen ions (H + ) flows out of the electrolysis cell 100. In this case, the electrochemical reactions occurring in the anode 110 and the cathode 130, respectively, are represented by Equations 3, 4, and 5.

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실온에서 반응식 4에 필요한 이상적인 공급 전압은 수소표준 전극을 기준으로 1.51V가 되며, 1.51V에 대응하는 오존 생성에 필요한 이론 생성에너지는 5.06kWh/O3kg가 된다. 그러나 실제 오존 생성에너지는 과전압 손실 때문에 이온생성에너지의 약 10배 이상이다. At room temperature, the ideal supply voltage for Scheme 4 would be 1.51V based on the hydrogen standard electrode, and the theoretical generation energy required for ozone generation corresponding to 1.51V would be 5.06 kWh / O 3 kg. However, the actual ozone generating energy is about 10 times higher than the ion generating energy due to the overvoltage loss.

오존 제조에 필요한 생성에너지는 다음과 같이 계산된다.The energy produced for ozone production is calculated as:

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수학식 1은 오존 생성과 관련한 전류효율 η을 구하는 식이며, 여기서, F 는 파라데이 정수[C/mol], Q 는 액상과 기상의 오존 발생량[kg/h], M 은 오존의 분자량[g/mol], I 는 전기화학 반응기에 공급한 전류[A]이다. 또한, 산소 발생과 관련한 전류효율은 식의 우변항 분자 6을 4로, M 을 산소 분자량[g/mol]으로, Q 를 산소 발생량으로 하면 산소 발생과 관련한 전류효율이 얻어진다.Equation 1 is a formula for calculating the current efficiency η related to ozone generation, where F is Faraday's constant [C / mol], Q is the amount of ozone generated in liquid and gas phase [kg / h], and M is the molecular weight of ozone [g / mol], I is the current [A] supplied to the electrochemical reactor. In addition, the current efficiency related to oxygen generation is obtained when the right side molecule 6 of the equation is 4, M is the oxygen molecular weight [g / mol], and Q is the oxygen generation amount.

수학식 2는 오존 생성에너지 Ep(오존 1kg을 생산하는데 소비되는 에너지)를 구하는 계산식으로, 기상과 액상의 오존 농도와 전기화학 반응기의 전압 전류 특성에 의해 결정된다. 여기서, I 는 전해조에 공급하는 전류[A], V 는 전기화학 반응기의 양극과 음극의 양단에 걸리는 전압[V], Q g 는 기상에서의 오존 농도[kg/L], v g 는 가스 체적유량[L/h], Q aq 는 액상 오존 농도[kg/L], v aq 는 물의 유량[L/h]을 나타낸다.Equation 2 is an equation for calculating the ozone generating energy Ep (energy consumed to produce 1 kg of ozone), which is determined by the ozone concentrations in the gas and liquid phases and the voltage and current characteristics of the electrochemical reactor. Where I is the current [A] supplied to the electrolyzer and V is the voltage across both the anode and cathode of the electrochemical reactor [V], Q g Is the ozone concentration in the gas phase [kg / L], v g Is the gas volumetric flow rate [L / h], Q aq Is the liquid ozone concentration [kg / L], v aq Represents the flow rate of water [L / h].

수학식 1과 수학식 2에서 전해조 전압은 이론 전압 1.51V 보다 높은 전압이 필요하다. 일반적으로 실제전압과 이론전압의 차를 과전압이라고 하며, 과전압은 전기분해 셀을 구성하는 이온 교환막, 양극, 음극 및 전해질 등 각각에서 발생하는 각각 요소의 과전압의 합이 된다.In Equation 1 and Equation 2, the electrolytic cell voltage requires a voltage higher than the theoretical voltage 1.51V. In general, the difference between the actual voltage and the theoretical voltage is called an overvoltage, and the overvoltage is the sum of the overvoltages of each element generated in the ion exchange membrane, the anode, the cathode, and the electrolyte constituting the electrolysis cell.

도 2는 전해조 전압을 전해조 구성요소 전압으로 분해하여 전기회로로 구성한 것으로, 기존의 오존 발생용 전해조 전압은 수학식 3에서와 같이 양극, 음극, 이온 교환막 및 전해질 등이 각각에서 발생하는 각각 요소의 과전압의 합이 된다. Figure 2 is composed of an electric circuit by decomposing the electrolytic cell voltage into the electrolytic cell component voltage, the conventional electrolytic cell voltage for ozone generation, as shown in equation (3) of each of the elements generated in each of the positive electrode, the negative electrode, the ion exchange membrane and the electrolyte It is the sum of overvoltages.

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여기서, I 는 전해조에 공급하는 전류[A], V 는 전기화학 반응기의 양극과 음극의 양단에 걸리는 전압[V]이다.Where I is the current [A] supplied to the electrolytic cell, and V is the voltage [V] across the positive and negative electrodes of the electrochemical reactor.

도 2 및 수학식 3에서 표시한 R a 는 양극과 관련한 과전압을, R a-m 는 양극과 양이온 교환막 사이의 전압강하(Voltage drop)를 나타내며, 이는 양극과 양이온 막 사이의 거리, 양극과 양이온 교환막 사이에 존재하는 가스 버블에 의해 영향을 받는다. R m 는 양이온 교환막의 전압강하를, R m-b 는 양이온 교환막과 음극 사이의 전압강하(Voltage drop)이며, 이는 양이온 교환막과 음극 사이의 거리, 양이온 교환막 사이와 음극 사이에 존재하는 가스 버블에 의해 영향을 받는다. R b 는 음극과 관련한 과전압을 나타낸다.In FIG. 2 and Equation 3, R a represents the overvoltage associated with the anode, and R am represents the voltage drop between the anode and the cation exchange membrane, which is the distance between the anode and the cation membrane, and between the anode and the cation exchange membrane. It is affected by the gas bubbles present in it. R m is the voltage drop of the cation exchange membrane, R mb is the voltage drop between the cation exchange membrane and the cathode, which is influenced by the distance between the cation exchange membrane and the cathode, gas bubbles between the cation exchange membrane and the cathode. Receives. R b represents the overvoltage associated with the cathode.

오존 발생시 과전압 요소가 전체 전압에 차지하는 비율을 살펴보면 R a 가 35%, R a-m 는 25%, R m 는 10%, R m-b 는 15%, R b 는 15% 이다.The ozone over-voltage element in case of Looking at the ratio of the voltage across the R a is 35%, R am is 25%, R m is 10%, R mb is 15%, R b is 15%.

전기분해에 의한 오존가스 발생기는 쉽게 제작이 가능하지만, 오존 제조에 필요한 생성에너지를 낮추는 것이 공업화에 중요한 기술로 오존의 발생 효율 증가와 오존 생성에너지를 낮추는 것이 중요하다.The ozone gas generator by electrolysis can be easily manufactured, but lowering the energy generated for ozone production is an important technology for industrialization, and it is important to increase the generation efficiency of ozone and lower the ozone generated energy.

현재까지는 오존의 발생 효율과 오존 생성에너지를 낮추기 위해 주로 전극 물질 개발에 중점을 두어 개발되어 왔다. 즉, 산소 과전압이 높은 촉매를 개발하거나 산소발생 반응이 억제되는 첨가물을 보조 촉매로 첨가하는 방법 등이 있다. 예를 들면, PbO2, DSA, glassy carbon, boron-doped diamond, Ti/IrO2 전극의 탐색 이 있었다.Up to now, the development has been mainly focused on the development of electrode materials to reduce ozone generation efficiency and ozone generation energy. That is, there is a method of developing a catalyst with a high oxygen overvoltage or adding an additive for inhibiting an oxygen evolution reaction as a cocatalyst. For example, PbO 2 , DSA, glassy carbon, boron-doped diamond, and Ti / IrO 2 electrodes were explored.

이 같은 연구들은 오존 제조에 필요한 전기 에너지를 낮추기 위해 전체 전기 소모량 중에 35%를 차지하는 R a (양극과 관련한 과전압 요소)와 15%를 차지하는 R b (음극과 관련한 저항요소)등 양극과 음극의 연구에만 집중되어 연구되어 왔다.These studies are to study the positive and negative electrodes, such as R a (overvoltage component related to anode) and R b (resistance component related to cathode), which account for 35% of total electricity consumption, to reduce the electrical energy required for ozone production. Only concentrated research has been conducted.

따라서 상기와 같은 연구만으로 효과적으로 오존 발생에 필요한 전기에너지를 효과적으로 감소시킬 수가 없었다.Therefore, the above research alone could not effectively reduce the electrical energy required for ozone generation.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 물을 전기분해하여 오존을 제조하는 방법에 있어서 오존 발생시 필요한 전기 에너지를 낮추기 위해서 양극, 양극과 양이온 교환막 사이의 저항, 양이온 교환막과 음극 사이의 저항, 음극과 관련한 저항을 감소시키는 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체 및 그 제조방법과 이를 구비한 전기화학 셀을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, in the method for producing ozone by electrolysis of water in order to lower the electrical energy required during ozone generation, the resistance between the positive electrode, positive electrode and cation exchange membrane, cation It is an object of the present invention to provide a membrane electrode assembly for electrochemical ozone generation, a method of manufacturing the same, and an electrochemical cell having the same, which reduces resistance between the exchange membrane and the cathode and resistance associated with the cathode.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 특징에 따르면, 전해질 막의 양 표면에 전극을 형성하는 양극 및 음극 전극 촉매층을 각각 갖는 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)에 있어서, 양극 전극 촉매층은 탄탈륨 백금 전극 촉매층으로 구성된 것을 특징으로 한다. According to one feature of the present invention for achieving the above object, in the electrochemical ozone generating membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly) having a positive electrode and a negative electrode catalyst layer for forming electrodes on both surfaces of the electrolyte membrane, the anode electrode catalyst layer It is characterized by consisting of a tantalum platinum electrode catalyst layer.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 전해질 막의 양 표면에 전극을 형성하는 양극 및 음극 전극 촉매층을 각각 갖는 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)의 제조방법에 있어서, 전해질 막을 세정하는 전처리단계, 전처리한 전해질 막을 전극촉매 이온을 함유한 용액 내에 함침하여 이온들을 전해질 막의 표면과 내부로 침투시켜 고정화하고, 전해질 막에 고정된 전극촉매 이온을 환원제를 이용하여 촉매로 환원하여 전극 촉매층을 형성하는 흡착 환원 단계, 전극 촉매층이 양 표면에 코팅된 전해질 막의 한 쪽의 면을 전기도금법에 의해 탄탈륨 도금하는 단계, 및 전해질 막을 세정하는 후처리단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. According to another feature of the invention, in the method of manufacturing an electrochemical ozone generating membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly) having a positive electrode and a negative electrode catalyst layer to form electrodes on both surfaces of the electrolyte membrane, the pretreatment step of cleaning the electrolyte membrane And impregnating the pretreated electrolyte membrane into a solution containing the electrode catalyst ions to immobilize the ions by penetrating into and into the surface of the electrolyte membrane, and reducing the electrode catalyst ions fixed on the electrolyte membrane with a catalyst using a reducing agent to form an electrode catalyst layer. It is characterized in that it comprises a step of adsorption reduction, the step of electroplating tantalum plating one side of the electrolyte membrane coated on both surfaces of the electrode catalyst layer, and the post-treatment step of washing the electrolyte membrane.

본 발명의 흡착 환원단계에서, 전극촉매로는 이리듐, 망간, 코발트, 니켈, 팔라듐, 크롬, 백금 중에서 어느 하나 또는 하나 이상의 혼합물을 이용할 수 있다. In the adsorption reduction step of the present invention, the electrode catalyst may be any one or a mixture of iridium, manganese, cobalt, nickel, palladium, chromium, platinum.

본 발명의 또다른 특징에 따르면, 전해질 막의 양 표면에 전극을 형성하는 양극 및 음극 전극 촉매층을 각각 갖는 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly), 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 막전극접합체를 기준으로 배열되는 패킹, 분리판 및 프레임을 포함하는 전기화학 셀에 있어서, 양극 전극 촉매층은 탄탈륨 백금 전극 촉매층으로 구성된 것을 특징으로 한다. According to another feature of the present invention, an electrochemical ozone generating membrane electrode assembly (electrode) and a reactant and a product having a positive electrode and a negative electrode catalyst layer respectively forming electrodes on both surfaces of the electrolyte membrane, a form capable of supplying and discharging products In an electrochemical cell including a packing, a separator, and a frame arranged based on a membrane electrode assembly, the anode electrode catalyst layer is characterized by consisting of a tantalum platinum electrode catalyst layer.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 전극 촉매층을 백금 탄탈륨 촉매를 사용함으로써 전기분해 효율을 개선시켜 운전비용(종래 대비 1/2 수준)을 대폭 절감할 수 있을 뿐만 아니라 반응효율을 안정화하여 내구성을 향상시키는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention improves electrolysis efficiency by using a platinum tantalum catalyst in the electrode catalyst layer, which can drastically reduce operating costs (half the level of the conventional one) and stabilize the reaction efficiency to improve durability. It works.

아래에서, 본 발명에 따른 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체 및 그 제조 방법과 이를 구비한 전기화학 셀의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment of an electrochemical ozone generating membrane electrode assembly and a method for manufacturing the same and an electrochemical cell having the same according to the present invention will be described in detail.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체의 제조과정을 나타낸 블록도이다. 본 발명에 따른 막전극접합체의 제조과정을 도 3을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.Figure 3 is a block diagram showing the manufacturing process of the electrochemical ozone generating membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention. The manufacturing process of the membrane electrode assembly according to the present invention will be described with reference to FIG. 3.

본 발명에 따른 막전극접합체의 제조방법은 흡착 환원법과 전기 도금법을 이용하는 것으로서 크게 3단계로 구분된다. 제1 단계는 이온 교환막의 전처리단계, 제2 단계는 흡착 환원법에 의해 백금 촉매를 코팅하는 흡착 환원단계, 제3 단계는 제2 단계에서 제조된 백금 촉매를 가지는 막전극접합체에 이리듐을 전기도금하는 전기도금 단계로 구성된다. 제2 단계는 다시 다음과 같이 2개의 제2-1 단계와 제2-2 단계로 구성되는데, 제2-1 단계는 백금 전극촉매 이온을 함유한 용액에 이온 교환막을 함침하여 백금 촉매의 이온을 이온 교환막의 표면과 내부로 침투시켜 고정화하는 흡착단계이고, 제2-2 단계는 이온 교환막에 고정된 금속이온을 환원제를 이용하여 금속촉매로 환원하는 환원단계이다.The method for producing a membrane electrode assembly according to the present invention is classified into three steps by using an adsorption reduction method and an electroplating method. The first step is the pretreatment step of the ion exchange membrane, the second step is the adsorption reduction step of coating the platinum catalyst by the adsorption reduction method, the third step is to electroplating iridium on the membrane electrode assembly having the platinum catalyst prepared in the second step It consists of an electroplating step. The second step is composed of two steps 2-1 and 2-2 as follows. In step 2-1, the ion exchange membrane is impregnated in the solution containing the platinum electrocatalyst ions to remove ions of the platinum catalyst. Adsorption step of immobilization by penetrating into the surface and inside of the ion exchange membrane, and step 2-2 is a reduction step of reducing the metal ions fixed in the ion exchange membrane to the metal catalyst using a reducing agent.

본 발명에 따른 막전극접합체의 제조에 적합한 이온 교환막으로는 퍼플로로네이티드설폰닉산 양이온 교환막이 가장 바람직하다.As the ion exchange membrane suitable for the preparation of the membrane electrode assembly according to the present invention, the perfloonated sulfonic acid cation exchange membrane is most preferred.

제1 단계인 전처리단계는 다음과 같다.The first step, the pretreatment step, is as follows.

먼저, 이온 교환막의 반응표면적을 넓히기 위해 샌드블라스팅이나 샌드페이퍼로 표면을 거칠게 한다. 이렇게 이온 교환막의 표면을 거칠게 한 후, 이온 교환막 내의 불순물 등을 제거하기 위해 세척 및 세정단계를 반복하여 실시한다. 세척 방법으로는 이온 교환막의 표면에 있는 이물질을 제거하기 위해 순수에 투입하여 가열하거나 초음파 세척기 등의 보조 장비를 이용하며, 세정단계는 염산, 황산 등의 산 용액 내에서 가열하는 과정을 가진다. 이때, 가장 바람직한 산은 염산이다. 전처리단계로는 이온 교환막의 표면을 거칠게 하는 과정, 순수로 세척하는 과정, 산에서 가열하는 과정 등으로 구성되며, 이들 구성은 최소한 1회 이상의 반복 과정을 거치는 것이 바람직하다.First, the surface is roughened with sand blasting or sand paper to increase the reaction surface area of the ion exchange membrane. After roughening the surface of the ion exchange membrane as described above, the washing and washing steps are repeated to remove impurities and the like in the ion exchange membrane. In order to remove foreign substances on the surface of the ion exchange membrane, the cleaning method may be added to pure water or heated, or may use auxiliary equipment such as an ultrasonic cleaner, and the washing step may include heating in an acid solution such as hydrochloric acid or sulfuric acid. At this time, the most preferable acid is hydrochloric acid. The pretreatment step includes a process of roughening the surface of the ion exchange membrane, a process of washing with pure water, a process of heating in an acid, and the like, and these components are preferably subjected to at least one iteration process.

제2-1 단계인 흡착단계는 다음과 같다.Adsorption step 2-1 is as follows.

촉매이온의 흡착단계는 전기화학적 촉매 기능을 갖는 금속화합물이 녹아 있는 용액에 이온 교환막을 일정 온도에서 일정 시간동안 함침하여 금속이온이 가능한 이온 교환막 내로 확산 침투되게 하는 것으로서, 온도, 함침시간, 교반 등이 이온 교환막의 물성에 영향을 준다. The adsorption step of the catalyst ion is to impregnate the ion exchange membrane in a solution containing a metal compound having an electrochemical catalyst function at a predetermined temperature for a predetermined time to diffuse and penetrate into the ion exchange membrane capable of metal ion. This affects the physical properties of the ion exchange membrane.

이때, 적용 가능한 전기화학적 촉매로는 이리듐, 망간, 코발트, 니켈, 팔라듐, 크롬, 백금 중에서 어느 하나 또는 하나 이상의 혼합물이 알려져 있으며, 이 같은 금속촉매를 이온 교환막 내로 침투시키기 위해 염화물이나 질산물을 갖는 화합물 Pt(NH3)4Cl2, RuCl3, IrCl3, Mn(NO3)2, Co(NO3)2, Ni(NO3)2, SnCl3, PdCl2, CrCl3 등을 전구체로 사용하는 것이 바람직하다. 전극 촉매로는 양극과 음극에 동시에 적용 가능한 백금 촉매제가 바람직하다.At this time, as an applicable electrochemical catalyst, any one or one or more mixtures of iridium, manganese, cobalt, nickel, palladium, chromium, and platinum are known. Compound Pt (NH 3 ) 4 Cl 2 , RuCl 3 , IrCl 3 , Mn (NO 3 ) 2 , Co (NO 3 ) 2 , Ni (NO 3 ) 2 , SnCl 3 , PdCl 2 , CrCl 3, etc. It is desirable to. As an electrode catalyst, the platinum catalyst which can be applied simultaneously to an anode and a cathode is preferable.

백금 촉매 시약의 농도는 0.01mmole ~ 5mmole 의 농도가 적합하다. 이때, 0.01mmole 보다 농도가 낮으면 이온 교환막 내로의 촉매이온 성분이 침투하기 어렵 고, 5mmole 이상에서는 미반응 촉매가 존재하게 되어 고가의 귀금속을 낭비하게 된다. The concentration of the platinum catalyst reagent is preferably from 0.01mmole to 5mmole. At this time, if the concentration is lower than 0.01mmole, the catalytic ion component is difficult to penetrate into the ion exchange membrane, and at 5mmole or more, an unreacted catalyst is present to waste expensive precious metals.

금속이온 흡착단계에서 적합한 온도는 10 ~ 80℃로서, 10℃ 이하에서는 촉매이온들의 이온 교환막 내 침투가 어렵고, 80℃ 이상에서는 이온 교환막의 변형이 심하여 조업이 어려운 문제가 있으며, 이때 더욱 바람직한 온도는 40 ~ 60℃ 이다.The suitable temperature in the metal ion adsorption step is 10 ~ 80 ℃, it is difficult to penetrate the catalyst ions in the ion exchange membrane below 10 ℃, it is difficult to operate due to severe deformation of the ion exchange membrane above 80 ℃, more preferred temperature is 40-60 degreeC.

제2-2 단계인 환원단계(백금이온 환원 과정)는 다음과 같다. Reduction step (platinum ion reduction process) of the 2-2 step is as follows.

환원 과정은 이온 교환막에 침투하여 고정된 금속촉매 이온을 환원제(예를 들면, NaBH4) 및 환원촉진제(예를 들면, NH4OH, NaOH)를 사용하여 금속촉매로 환원시키는 공정이다. 이때, 환원 기능을 갖는 환원제와 환원을 촉진하는 환원촉진제(알칼리 성분)를 일정온도의 항온조에 투입하고 저속으로 용액을 교반한다. 이때, 바람직한 환원온도는 20 ~ 80℃ 로서, 20℃ 이하에서는 환원제와 용출기능과 환원을 촉진하는 알칼리 성분의 반응 속도가 낮아 환원 효율이 떨어지며, 80℃ 이상에서는 흡착단계와 같이 이온 교환막의 변형이 심하여 조업에 어려움이 발생한다. 더욱 바람직한 환원온도는 40 ~ 70℃ 이다.The reduction process is a process of reducing the fixed metal catalyst ions by penetrating the ion exchange membrane to the metal catalyst using a reducing agent (for example, NaBH 4 ) and a reducing accelerator (for example, NH 4 OH, NaOH). At this time, a reducing agent having a reducing function and a reducing accelerator (alkali component) for promoting reduction are added to a constant temperature bath at a constant temperature, and the solution is stirred at a low speed. At this time, the preferred reduction temperature is 20 ~ 80 ℃, below 20 ℃, the reaction rate of the reducing agent and the elution function and the alkaline component to promote the reduction of the reduction efficiency is reduced, above 80 ℃ deformation of the ion exchange membrane like the adsorption step Severe difficulties in operation. More preferred reduction temperature is 40 ~ 70 ℃.

제3 단계인 전기도금 단계는 다음과 같다. The third step, the electroplating step, is as follows.

전기도금 단계는 제2 단계에서 제조된 백금이 코팅된 막전극접합체를 이용하여 막전극접합체를 음극으로 탄탈륨 산화물이 코팅된 수치안정 전극을 양극으로 하여, 막전극 접합체와 양극사이에 탄탈륨 도금액을 넣고 전기를 인가하여 백금 촉매가 코팅된 막전극접합체의 일측으로 탄탈륨을 전기 도금하는 공정으로, 전해질의 농도, 인가전압, 온도, pH 및 조절제, 전류밀도, 양극의 종류, 양극과 막전극접합체의 크기비 등에 의해 막전극접합체의 성능이 결정된다. 이때, 바람직한 탄탈륨 화합물의 농도는 1gr/liter ~ 30gr/liter 이며, 1gr/liter 이하에서는 탄탈륨의 코팅 밀도가 낮아지고, 30gr/liter 이상은 고가의 탄탈륨 약품의 손실이 크다. 더욱 바람직한 탄탈륨의 농도는 10gr/liter ~ 30gr/liter 이다. In the electroplating step, the tantalum plating solution is placed between the membrane electrode assembly and the anode by using the platinum-coated membrane electrode assembly prepared in the second step, using the numerically stable electrode coated with tantalum oxide as the cathode as the anode. Electroplating tantalum to one side of a platinum catalyst coated membrane electrode assembly by applying electricity.The concentration of electrolyte, applied voltage, temperature, pH and regulator, current density, type of anode, size of anode and membrane electrode assembly. The performance of the membrane electrode assembly is determined by the ratio. At this time, the concentration of the preferred tantalum compound is 1gr / liter ~ 30gr / liter, less than 1gr / liter coating density of tantalum is lower, 30gr / liter or more loss of expensive tantalum chemicals. More preferred concentrations of tantalum are 10 gr / liter to 30 gr / liter.

도금시에 바람직한 인가전압은 0.5Volt ~ 5Volt 이며, 인가전압이 0.5Volt 이하에서는 전기도금 효율이 급격히 감소하며, 5Volt 이상에서는 도금반응외 부반응이 발생하여 효율을 감소시킨다. 이때, 바람직한 인가전압의 범위는 2 ~ 3Volt 이다. 도금액의 온도는 25 ~ 80℃ 이며, 25℃ 이하에서는 이온의 활동도가 낮아 도금효율이 감소하며, 80℃ 이상에서는 도금액의 증발이 일어나 도금액의 농도 유지가 어렵게 된다. 이때, 바람직한 도금 온도는 40 ~ 60℃ 이다. The preferred applied voltage at the time of plating is 0.5Volt ~ 5Volt, when the applied voltage is 0.5Volt or less, the electroplating efficiency is drastically reduced, and at 5Volt or more side reactions other than the plating reaction occurs to reduce the efficiency. At this time, the preferred voltage range is 2 to 3 Volt. The temperature of the plating liquid is 25 ~ 80 ℃, the plating efficiency is reduced at 25 ℃ or less due to the activity of ions, and above 80 ℃ it is difficult to maintain the concentration of the plating liquid due to the evaporation of the plating liquid. At this time, preferable plating temperature is 40-60 degreeC.

도금액의 pH는 산성으로 유지하여야 하며 바람직하게는 1 ~ 2.5 이며, pH 조절제는 염산 또는 황산을 사용한다. 만약 pH를 알칼리로 유지하게 되면 도금액의 탄탈륨 화합물이 알칼리(OH) 성분과 반응하여 고형물을 형성한다. 도금시 전극면적당 인가하는 전류밀도는 0.1 ~ 3.0A/dm2 이며, 0.1A/dm2 이하의 전류밀도 조건에서는 도금이 일어나기 어렵고, 3.0A/dm2 이상의 전류밀도에서는 탄탈륨의 도금외 부반응(예를 들면, 물분자의 분해반응)이 일어나 효율이 감소한다. 바람직한 전류밀도의 조건은 0.3 ~ 1.5A/dm2 이다. The pH of the plating liquid should be kept acidic, preferably 1 to 2.5, and the pH adjusting agent is hydrochloric acid or sulfuric acid. If the pH is maintained at alkali, the tantalum compound of the plating liquid reacts with the alkali (OH) component to form a solid. The current density applied per electrode area during plating is 0.1 ~ 3.0A / dm 2 , plating is difficult to occur under the current density condition of 0.1A / dm 2 or less, and non-plating side reaction of tantalum at the current density of 3.0A / dm 2 or more (eg For example, the decomposition reaction of water molecules occurs to decrease the efficiency. Preferred conditions for the current density are 0.3 to 1.5 A / dm 2 .

전기도금에 사용하는 양극으로는 티타늄에 백금족을 코팅한 수치안정 전 극(Dimensional Stable Anode)을 사용하며, 바람직한 양극의 촉매로는 탄탈륨 또는 산화 탄탈륨 등이 적합하다. 양극과 막전극접합체의 크기비는 0.5 ~ 1.5 이며, 1.5 보다 크면(양극의 크기가 작으면) 막전극접합체의 전체 면적에서 균일한 탄탈륨을 얻기가 힘들고, 0.5 보다 작으면(양극의 크기가 크면) 막전극접합체의 끝부분에 두껍게 탄탈륨이 도금된다. 바람직한 양극과 막전극접합체의 크기비는 1 이다.As the anode used for electroplating, a dimensionally stable electrode (Dimensional Stable Anode) coated with a platinum group on titanium is used. Tantalum or tantalum oxide is preferable as a catalyst for the preferred anode. The size ratio of the positive electrode to the membrane electrode assembly is 0.5 to 1.5, and if it is larger than 1.5 (if the size of the anode is small), it is difficult to obtain uniform tantalum in the entire area of the membrane electrode assembly, and if it is smaller than 0.5 (the size of the anode is large) ) Tantalum is plated thickly at the end of the membrane electrode assembly. The preferred size ratio of the positive electrode to the membrane electrode assembly is one.

이러한 전기도금 단계가 완료되면 물 또는 염산으로 세정하고 보관하는 후처리단계를 수행한다.When the electroplating step is completed, a post-treatment step of washing and storing with water or hydrochloric acid is performed.

상기와 같이 본 발명은 촉매의 함침량을 증가시키기 위해 후처리단계 이후에 상기와 같은 제2 단계인 흡착 환원단계, 제3 단계인 전기도금 단계 및 후처리단계를 반복할 수도 있다.As described above, the present invention may repeat the second step, the adsorption reduction step, the third step, the electroplating step and the post-treatment step after the post-treatment step to increase the impregnation amount of the catalyst.

도 4는 본 발명에 의해 제조된 막전극접합체를 구비한 단위 전기화학 셀의 구조도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 단위 전기화학 셀은 상술한 바와 같이 양극촉매로 탄탈륨 백금 전극 촉매층을 갖도록 구성된 막전극접합체를 구비하여 구성한다. 여기서, 막전극접합체(400)는 이온 교환막(420)과, 이온 교환막(420)의 일측에 탄탈륨과 백금으로 구성된 전극 촉매층을 가지는 양극(410) 및 타측에 백금 촉매층을 가지는 음극(430)으로 구성된다. 이때, 양극(410) 및 음극(430)에 의해 형성되는 양극실(41)과 음극실(43)은 생성물과 반응물을 갖는 곳으로서, 서로 마주보는 형태를 갖는다.4 is a structural diagram of a unit electrochemical cell having a membrane electrode assembly prepared according to the present invention. As shown in FIG. 4, the unit electrochemical cell of the present invention is configured with a membrane electrode assembly configured to have a tantalum platinum electrode catalyst layer as the anode catalyst as described above. Here, the membrane electrode assembly 400 includes an ion exchange membrane 420, an anode 410 having an electrode catalyst layer composed of tantalum and platinum on one side of the ion exchange membrane 420, and a cathode 430 having a platinum catalyst layer on the other side. do. In this case, the anode chamber 41 and the cathode chamber 43 formed by the anode 410 and the cathode 430 are places having a product and a reactant and have a form facing each other.

양극실(41)은 프레임(411)과 분리판(412)에 의해 외부와 차단되어 형성되며, 양극(410)과 양극실 막전극접합체 지지체(413)를 갖는다. 이때, 프레임(411)과 분 리판(412)의 사이에는 양극실(41) 내의 반응물과 생성물의 외부누설을 막는 가스켓(패킹)(414)이 설치된다. The anode chamber 41 is formed to be cut off from the outside by the frame 411 and the separator 412, and has a cathode 410 and an anode chamber membrane electrode assembly support 413. At this time, a gasket (packing) 414 is installed between the frame 411 and the separator 412 to prevent external leakage of reactants and products in the anode chamber 41.

그리고 음극실(43)은 프레임(431)과 분리판(432)에 의해 외부와 차단되어 형성되며, 음극(430), 음극실 막전극접합체 지지체(433), 및 음극실 막전극접합체 지지체(433)와 분리판(432)의 사이에 위치하는 압력패드(434)를 갖는다. 여기서, 압력패드(434)는 전기화학 셀의 환경에 적합한 재질로 제조되어 단위 전기화학 셀 내의 압력이 균일해지도록 조정하는 기능을 하는 것으로서, 항상 설치하여야 하는 것은 아니다. 그리고 프레임(431)과 분리판(432)의 사이에는 음극실(43) 내의 반응물과 생성물의 외부누설을 막는 가스켓(패킹)(435)이 설치된다.The cathode chamber 43 is formed to be cut off from the outside by the frame 431 and the separator 432, and the cathode 430, the cathode chamber membrane electrode assembly support 433, and the cathode chamber membrane electrode assembly support 433. ) And a pressure pad 434 positioned between the separator plate 432. Here, the pressure pad 434 is made of a material suitable for the environment of the electrochemical cell, and functions to adjust the pressure in the unit electrochemical cell to be uniform, and does not always have to be installed. In addition, a gasket (packing) 435 is installed between the frame 431 and the separator 432 to prevent external leakage of reactants and products in the cathode chamber 43.

단위 전기화학 셀을 구성하는 구성요소 중에서 프레임(411, 431), 분리판(412, 432) 및 가스켓(414, 435)은 단위 전기화학 셀을 통하여 반응물 또는 생성물의 유입 및 유출이 용이하도록 적당한 홀을 갖는다.Among the components constituting the unit electrochemical cell, the frames 411 and 431, the separator plates 412 and 432, and the gaskets 414 and 435 are suitable holes to facilitate the inflow and outflow of reactants or products through the unit electrochemical cell. Has

아래에서는 종래기술의 방법으로 제조된 막전극접합체와, 본 발명의 한 실시예에 따른 방법으로 제조된 막전극접합체의 성능을 비교 측정한 일례에 대해서 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 일례로 그 범위가 제한되는 아니다.Hereinafter, an example in which the performance of the membrane electrode assembly manufactured by the method of the related art and the membrane electrode assembly manufactured by the method according to an embodiment of the present invention will be described. However, the scope of the present invention is not limited to this example.

[발명예] 탄탈륨 백금 양극 촉매층(Ta-Pt) / 음극 촉매층(Pt)Invention Example Tantalum Platinum Anode Catalyst Layer (Ta-Pt) / Cathode Catalyst Layer (Pt)

1. 막전극접합체의 제조과정1. Manufacturing Process of Membrane Electrode Assembly

제1 단계(전처리 단계)First step (pretreatment step)

이온 교환막은 퍼플로로설폰닉 양이온 교환막으로 듀폰사 제품의 나피온을 사용하되, 그 양면을 샌드페이퍼(Norton 600A)로 거칠게 처리한 후 초순수에 담가 약 1시간 동안 함침한 후 꺼내 일정크기로 절단한 것을 이용하였다. 일정 크기로 절단된 이온 교환막 내에 존재하는 유기물을 제거하기 위해, 이온 교환막을 H2O2 수용액(3%) 내에서 약 40분 동안 가열한 후 순수로 세척한다. 또한, 이온 교환막을 1M H2SO4 용액 내에서 약 30분 동안 가열하고 순수로 세척한 후, 약 1시간 동안 초순수에 투입하여 가열한다.The ion exchange membrane is a perfluorosulfonic cation exchange membrane, using Nafion from DuPont, and roughly treated on both sides with sandpaper (Norton 600A), soaked in ultrapure water for about 1 hour, and cut out to a certain size. It was used. In order to remove organic matter present in the ion exchange membrane cut to a predetermined size, the ion exchange membrane is heated in an aqueous solution of H 2 O 2 (3%) for about 40 minutes and then washed with pure water. In addition, the ion exchange membrane was heated in a 1M H 2 SO 4 solution for about 30 minutes, washed with pure water, and then heated in ultrapure water for about 1 hour.

제2 단계(흡착 환원단계)Second step (sorption reduction step)

제2-1 단계(흡착단계)Step 2-1 (Sorption Step)

0.5mM의 pt(NH3)4Cl2(tetra-amine platinum chloride hydrate, 98%)를 함유한 메탄올(Methanol)과 물을 1 : 3의 부피비로 혼합하여 혼합용액을 만든 후, 그 혼합용액 내에 전처리단계에서 세정한 이온 교환막을 약 40분 동안 투입하여 백금이온이 이온 교환막의 내부로 확산 흡착되도록 한다.Methanol containing 0.5 mM pt (NH 3 ) 4 Cl 2 (tetra-amine platinum chloride hydrate, 98%) and water were mixed at a volume ratio of 1: 3 to form a mixed solution, and then mixed into the mixed solution. The ion exchange membrane cleaned in the pretreatment step is introduced for about 40 minutes to allow the platinum ions to diffuse and adsorb into the ion exchange membrane.

제2-2 단계(환원단계)Step 2-2 (Reduction Stage)

50℃로 예열된 pH13의 용액에 NaBH4를 혼합하여 1mM 환원용액을 만들고, 그 환원용액 내에 이온 교환막을 투입하여 흡착단계에서 흡착된 백금용액을 제거한 후, 60ml의 환원용액을 대신 채워 환원을 2시간 동안 수행한다.NaBH 4 is mixed with a solution of pH 13 preheated to 50 ° C. to form a 1 mM reducing solution. An ion exchange membrane is added to the reducing solution to remove the platinum solution adsorbed in the adsorption step. Perform for hours.

제3 단계(전기도금 단계)3rd stage (electroplating stage)

탄탈륨을 코팅하기 위한 도금조(500)를 도 5와 같이 구성한다. 도 5는 본 발명에 따른 막전극접합체의 구현을 위해 탄탈륨을 전기도금 하기 위한 도금조의 구조도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 도금조(500)는 제1 단계 ~ 제3 단계의 과 정을 거쳐 제조된 백금촉매를 가진 막전극접합체(540)의 일측만 도금할 수 있도록 설계된다. 도금조(500)는 용액을 저장하는 저장조(522)와 막전극접합체를 고정하는 하단부(524)로 구성한다. 백금촉매를 가진 막전극접합체(540)를 음극으로 하여 한 쪽의 면만 노출시키고, 양극(530)으로는 티타늄에 탄탈륨 산화물을 코팅한 수치안정 전극(Dimensional Stable Anode)을 사용한다. 양극(530)에는 직류전원 공급 장치(560)의 플러스(+) 단자(536)에 플러스 리드선(532)이 연결되며, 음극인 막전극접합체(540)는 막전극접합체에 전류 공급 역할을 하는 전류 공급부(542)와 직류전원 공급 장치(560)의 마이너스(-) 단자(546)에 마이너스 리드선(544)이 연결된다. 양극(530)과 막전극접합체(540)의 크기비는 1로 동일 크기로 한다.A plating bath 500 for coating tantalum is configured as shown in FIG. 5. 5 is a structural diagram of a plating bath for electroplating tantalum for implementing the membrane electrode assembly according to the present invention. As shown in FIG. 5, the plating bath 500 is designed to plate only one side of the membrane electrode assembly 540 having the platinum catalyst prepared through the first to third steps. The plating bath 500 includes a storage tank 522 for storing a solution and a lower end 524 for fixing the membrane electrode assembly. The membrane electrode assembly 540 having a platinum catalyst is used as the cathode, and only one surface thereof is exposed. As the anode 530, a numerically stable electrode coated with tantalum oxide on titanium is used. A positive lead 532 is connected to a positive terminal 536 of the DC power supply 560 in the positive electrode 530, and the membrane electrode assembly 540, which is a negative electrode, serves to supply current to the membrane electrode assembly. The negative lead wire 544 is connected to the negative terminal 546 of the supply unit 542 and the DC power supply 560. The size ratio of the anode 530 and the membrane electrode assembly 540 is equal to one.

탄탈륨 화합물 TaCl4의 농도를 10gr/liter로 하고, 염산을 이용하여 pH를 2.0으로 조절하여 도금액(502)을 저장조(522)에 채운 후, 히터(514), 온도 센서(512), 온도 조절계(510)를 이용하여 도금 용액을 50℃로 조절한다. 도금 용액의 온도가 50℃에 도달하면 직류전원 공급 장치(560)에서 3Volt와 전류밀도 0.3A/dm2 조건으로 직류를 인가하여 탄탈륨 백금 전기화학 촉매를 가지는 막전극접합체를 제조한다. 그런 다음, 교환막을 0.5M의 H2SO4에 2시간, 초순수에 1시간 정도 함침하여 보관한다.The concentration of the tantalum compound TaCl 4 is 10 gr / liter, the pH is adjusted to 2.0 using hydrochloric acid, and the plating solution 502 is filled in the storage tank 522. The heater 514, the temperature sensor 512, and the temperature controller ( 510) is used to adjust the plating solution to 50 ° C. When the temperature of the plating solution reaches 50 ° C., a direct current is applied under a condition of 3 Volt and a current density of 0.3 A / dm 2 in the DC power supply 560 to prepare a membrane electrode assembly having a tantalum platinum electrochemical catalyst. Then, the exchange membrane was stored by impregnating 0.5 M H 2 SO 4 for 2 hours and ultrapure water for 1 hour.

2. 단위 전기화학 셀의 평가2. Evaluation of Unit Electrochemical Cells

가. 실험 시스템end. Experimental system

상기와 같은 단계를 거쳐 제조된 막전극접합체를 구비한 단위 전기화학 셀을 도 6과 같은 실험시스템을 이용하여 그 성능을 평가하였다. 본 발명의 실험에 이용된 단위 전기화학 셀은 도 4와 같이 구성된다. The performance of the unit electrochemical cell having the membrane electrode assembly prepared through the above steps was evaluated using the experimental system as shown in FIG. 6. The unit electrochemical cell used in the experiment of the present invention is configured as shown in FIG.

도 6은 종래기술 및 본 발명에 의해 각각 제조된 막전극접합체를 구비한 전기화학 셀을 평가하는 데 사용되는 실험시스템의 공정도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 직류 전원장치(610)를 이용하여 전기화학 셀(400)에 직류전류를 공급하되, 원료인 물로는 1Mega ohm cm 이상의 증류수를 사용하였다. 이때, 물은 펌프(620)를 통해 양극실로 공급되며, 양극실에서 발생한 오존과 미반응 물은 물 저장조(630)에서 분리하되, 물 저장조(630)의 수위는 레벨센서(631)로 감지하여 물의 유입을 온오프 밸브(632)를 통해 제어하였다. 그리고 음극실에서 발생한 수소는 물과 수소의 기액분리기(640)에서 분리하여 배출하였다. 이때, 기액분리기(640)의 수위는 레벨센서(641)를 통해 감지하여 온오프 밸브(642)를 통해 조절하였다. 그리고 전해액의 온도는 전기화학 셀(400)의 온도를 센서(650)로 측정하여, 조절기(660)를 통해 전기히터(670)로 제어하여 80℃가 되도록 설정하였으며, 이때 발생하는 조전압(CV, Cell Voltage, 단위는 Voltage)을 측정하였으며, 수학식 2와 수학식 3을 통하여 오존 1kg 생산에 필요한 전기에너지와 전류효율을 구하였다.6 is a process diagram of an experimental system used to evaluate electrochemical cells having membrane electrode assemblies prepared according to the prior art and the present invention. As shown in FIG. 6, DC current was supplied to the electrochemical cell 400 using the DC power supply 610, but distilled water of 1 Mega ohm cm or more was used as a raw material of water. At this time, the water is supplied to the anode chamber through the pump 620, the ozone and unreacted water generated in the anode chamber is separated from the water reservoir 630, the water level of the water reservoir 630 is detected by the level sensor 631 Inflow of water was controlled via an on-off valve 632. Hydrogen generated in the cathode chamber was separated from the gas-liquid separator 640 of water and hydrogen and discharged. At this time, the water level of the gas-liquid separator 640 was detected through the level sensor 641 and adjusted through the on-off valve 642. And the temperature of the electrolyte was set to be 80 ℃ by measuring the temperature of the electrochemical cell 400 with the sensor 650, controlled by the electric heater 670 through the regulator 660, the voltage generated at this time (CV , Cell Voltage, and Unit) were measured. The electrical energy and current efficiency needed to produce 1 kg of ozone were calculated through Equation 2 and Equation 3.

나. 오존 분석 방법[A.D. Eaton, L.S. Clesceri, A.E. Greenberg, Section 4500-Cl B,Iodometric method I, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19th ed., American Public Health Association, Washington, DC, 1995, ISBN 0-87553-223-3, 4/38-/39.18]I. Ozone analysis method [A.D. Eaton, L.S. Clesceri, A.E. Greenberg, Section 4500-Cl B, Iodometric method I, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 19th ed., American Public Health Association, Washington, DC, 1995, ISBN 0-87553-223-3, 4 / 38- /39.18]

오존은 iodometric method에 의해 측정하였다. 오존을 200ml의 2% KI용액에 10분간 흡수시킨 후 0.005N Na2S2O3 표준용액으로 적정 분석을 하였으며, 실제 오존 발생량은 다음의 수학식 4에 의해 구하였다.Ozone was measured by the iodometric method. After ozone was absorbed in 200 ml of 2% KI solution for 10 minutes, titration analysis was performed with 0.005N Na 2 S 2 O 3 standard solution, and the actual ozone generation amount was calculated by the following Equation 4.

Figure 112007052637532-pat00009
Figure 112007052637532-pat00009

여기서, A는 적정 시료에 사용된 Na2S2O3 양(ml), B는 흡수용액의 Blank Test에 사용된 Na2S2O3 양(ml), 그리고 N은 Na2S2O3의 노르말 농도이다.Where A is the amount of Na 2 S 2 O 3 used in the titration sample (ml), B is the amount of Na 2 S 2 O 3 used in the blank test of the absorbent solution (ml), and N is Na 2 S 2 O 3 Normal concentration.

3. 결과 3. Results

도 7은 도 6의 실험시스템을 통해 실험한 비교예들과 발명예의 성능결과를 비교한 그래프로서 측정값은 오존 1kg 생성에 필요한 전기에너지이고, 도 8은 본 발명예와 비교예 1의 전압의 안정성을 평가하기 위해 장기간 운전한 값을 비교한 그래프이며, 도 9는 본 발명예와 비교예 1의 전류효율을 평가하기 위해 장기간 운전한 값을 비교한 그래프이다.7 is a graph comparing the performance results of the comparative examples and the invention example experimented with the experimental system of FIG. 6, the measured value is the electrical energy required to generate 1 kg of ozone, and FIG. 9 is a graph comparing long-term operation values to evaluate stability, and FIG. 9 is a graph comparing long-term operation values to evaluate current efficiency of the present invention and Comparative Example 1. FIG.

[비교예 1] 양극 촉매층(Pt) / 음극 촉매층(Pt)Comparative Example 1 Anode Catalyst Layer (Pt) / Cathode Catalyst Layer (Pt)

1. 막전극접합체의 제조1. Preparation of membrane electrode assembly

제1 단계(전처리 단계)First step (pretreatment step)

발명예의 전처리 단계와 동일하다.It is the same as the pretreatment step of the invention example.

제2 단계(흡착 환원 단계)Second step (sorption reduction step)

발명예의 흡착 환원단계와 동일하다.It is the same as the adsorption reduction step of the invention example.

2. 단위 전기화학 셀의 평가2. Evaluation of Unit Electrochemical Cells

발명예의 평가방법으로 그 성능을 평가하였다.The performance was evaluated by the evaluation method of the invention example.

3. 결과3. Results

오존 1kg 생성에 필요한 전기에너지와 관련한 실험 결과를 도 7의 비교예 1의 데이터로 표시하고, 전압과 관련한 실험 결과를 도 8의 비교예 1의 데이터로 표시하며, 전류효율과 관련한 실험 결과를 도 9의 비교예 1의 데이터로 표시하였다.Experimental results related to electrical energy required to generate 1 kg of ozone are represented by data of Comparative Example 1 of FIG. 7, experimental results related to voltage are represented by data of Comparative Example 1 of FIG. 8, and experimental results related to current efficiency are illustrated. It was shown by the data of the comparative example 1 of 9.

[비교예 2] 미국 린테크사(Lynntech, Inc. 7610 Eastmark Drive College Station, Texas 77840)의 Model 오존발생기 카탈로그에 기재된 정보[Comparative Example 2] Information described in the Model ozone generator catalog of Lynntech, Inc. 7610 Eastmark Drive College Station, Texas 77840

상기 카탈로그에 기재된 정보에 따르면, 오존 1kg에 필요한 전기에너지가 약 13kWH 임을 알 수 있다(http://www.lynntech.com/licensing/ozone/index.shtml). According to the information described in the catalog, it can be seen that the electric energy required for 1 kg of ozone is about 13 kWH (http://www.lynntech.com/licensing/ozone/index.shtml).

상기 발명예 및 비교예 1, 2의 실험결과를 나타낸 도 7을 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 해당하는 발명예가 비교예 1, 2에 비해 오존 1kg을 제조하는데 이용되는 전기에너지가 적게 소모되어 이는 본 발명이 종래보다 향상된 성능을 갖는다는 것을 의미한다.As can be seen from FIG. 7 showing the experimental results of the Inventive Example and Comparative Examples 1 and 2, the Inventive Example corresponding to the present invention consumes less electric energy used to prepare 1 kg of ozone than Comparative Examples 1 and 2. It means that the present invention has improved performance over the prior art.

그리고, 도 8 및 도 9는 장기간 운전했을때 전해전압과 전기분해 효율(전류효율)의 트렌드를 보여주는 것으로, 본 발명예가 기존의 비교예 1에 비해 안정된 운전이 가능함을 알 수 있다.8 and 9 show a trend of electrolytic voltage and electrolysis efficiency (current efficiency) when operated for a long time, and it can be seen that the present invention is more stable than the conventional Comparative Example 1.

이상에서 본 발명의 백금 탄탈륨 전극 촉매층을 갖는 막전극접합체 및 그 제조방법과 이를 구비한 전기화학 셀에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.In the above description, a membrane electrode assembly having a platinum tantalum electrode catalyst layer of the present invention, a method of manufacturing the same, and an electrochemical cell having the same are described together with the accompanying drawings, which are illustrative examples of the best embodiments of the present invention. It does not limit the invention.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations within the scope of the appended claims without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소 및 오존가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀의 개념도이고,1 is a conceptual diagram of a typical electrolysis cell which electrochemically decomposes water to produce hydrogen gas and oxygen and ozone gas,

도 2는 전해조 전압을 전해조 구성요소 전압으로 분해하여 전기회로로 구성한 개략도이고, 2 is a schematic diagram of an electric circuit by decomposing an electrolytic cell voltage into an electrolytic cell component voltage,

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체의 제조과정을 나타낸 블록도이고,3 is a block diagram showing a manufacturing process of an electrochemical ozone generating membrane electrode assembly according to an embodiment of the present invention,

도 4는 본 발명에 의해 제조된 막전극접합체를 구비한 단위 전기화학 셀의 구조도이고, 4 is a structural diagram of a unit electrochemical cell having a membrane electrode assembly prepared according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 막전극접합체의 구현을 위해 탄탈륨을 전기도금 하기 위한 도금조의 구조도이고, 5 is a structural diagram of a plating bath for electroplating tantalum for implementing the membrane electrode assembly according to the present invention,

도 6은 종래기술 및 본 발명에 의해 각각 제조된 막전극접합체를 구비한 전기화학 셀을 평가하는 데 사용되는 실험시스템의 공정도이고, 6 is a process diagram of an experimental system used to evaluate electrochemical cells having membrane electrode assemblies prepared according to the prior art and the present invention,

도 7은 도 6의 실험시스템을 통해 실험한 비교예들과 발명예의 성능결과를 비교한 그래프이고, 7 is a graph comparing the performance results of the comparative examples and the invention example experimented with the experimental system of FIG.

도 8은 본 발명예와 비교예 1의 전압의 안정성을 평가하기 위해 장기간 운전한 값을 비교한 그래프이며, 8 is a graph comparing long-term operation values to evaluate the stability of the voltage of the present invention and Comparative Example 1,

도 9는 본 발명예와 비교예 1의 전류효율을 평가하기 위해 장기간 운전한 값을 비교한 그래프이다.9 is a graph comparing long-term operation values in order to evaluate the current efficiency of the present invention and Comparative Example 1.

Claims (4)

삭제delete 전해질 막의 양 표면에 전극을 형성하는 양극 및 음극 전극 촉매층을 각각 갖는 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)의 제조방법에 있어서,In the manufacturing method of the electrochemical ozone generating membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly) each having an anode and a cathode electrode catalyst layer for forming electrodes on both surfaces of the electrolyte membrane, 상기 전해질 막을 세정하는 전처리단계,A pretreatment step of cleaning the electrolyte membrane, 전처리한 상기 전해질 막을 전극촉매 이온을 함유한 용액 내에 함침하여 이온들을 상기 전해질 막의 표면과 내부로 침투시켜 고정화하고, 상기 전해질 막에 고정된 전극촉매 이온을 환원제를 이용하여 촉매로 환원하여 전극 촉매층을 형성하는 흡착 환원단계,The pretreated electrolyte membrane is impregnated in a solution containing electrocatalyst ions to penetrate and immobilize ions into the surface and the inside of the electrolyte membrane. Forming an adsorption reduction step, 상기 전극 촉매층이 양 표면에 코팅된 상기 전해질 막의 한 쪽의 면을 전기도금법에 의해 탄탈륨 도금하는 단계, 및Tantalum plating the one surface of the electrolyte membrane with the electrode catalyst layer coated on both surfaces thereof by an electroplating method, and 상기 전해질 막을 세정하는 후처리단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체의 제조방법.And a post-treatment step of washing the electrolyte membrane. 청구항 2에 있어서, The method according to claim 2, 상기 흡착 환원단계에서, 상기 전극촉매로는 이리듐, 망간, 코발트, 니켈, 팔라듐, 크롬, 백금 중에서 어느 하나 또는 하나 이상의 혼합물을 이용하는 것을 특징으로 하는 전기화학적 오존 발생용 막전극접합체의 제조방법.In the adsorption reduction step, the electrode catalyst is a method for producing an electrochemical ozone generating membrane electrode assembly, characterized in that using any one or one or more of iridium, manganese, cobalt, nickel, palladium, chromium, platinum. 삭제delete
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