KR101763382B1 - 펠트 전극 특성 분석용 셀의 작업 전극 및 이를 구비하는 펠트 전극 분석용 셀 - Google Patents

펠트 전극 특성 분석용 셀의 작업 전극 및 이를 구비하는 펠트 전극 분석용 셀 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레독스 플로우 전지(redox flow battery)에 사용되는 펠트 전극의 특성을 분석하기 위한 펠트 전극 특성 분석용 셀에 관한 것으로, 전해질이 충진되는 공간이 형성된 전해질 챔버와, 분석의 기준 값이 되는 기준 전극을 구비하는 기준 전극부, 기준 전극부를 기준으로 일측면에 배치되며, 분석 대상이 되는 펠트 전극인 작업 전극을 구비하고, 작업 전극에 가해지는 압력을 일정하게 유지한 상태로 작업 전극으로부터 응답하는 전류 측정을 위한 작업 전극부, 기준 전극부를 기준으로 작업 전극부의 반대편에 배치되며, 상대 전극을 구비하여 작업 전극부에서 전자 전달이 이루어짐에 따른 전하 밸런스를 유지하는 상대 전극부를 포함하여 펠트 전극의 전기적 특성을 정확하게 분석할 수 있다.

Description

펠트 전극 특성 분석용 셀의 작업 전극 및 이를 구비하는 펠트 전극 분석용 셀{Working electrode of cell for felt electrode characterization and cell for felt electrode characterization using the same}
본 발명은 전극 특성 분석용 셀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레독스 플로우 전지(redox flow battery)에 사용되는 펠트 전극의 특성을 분석하기 위한 펠트 전극 특성 분석용 셀에 관한 것이다.
전력 저장 기술은 전력 이용의 효율화, 전력 공급 시스템의 능력이나 신뢰성 향상, 시간에 따라 변동 폭이 큰 신재생 에너지의 도입 확대, 이동체의 에너지 회생 등 에너지 전체에 걸쳐 효율적 이용을 위해 중요한 기술이며 그 발전 가능성 및 사회적 기여에 대한 요구가 점점 증대되고 있다.
마이크로 그리드와 같은 반자율적인 지역 전력 공급 시스템의 수급 균형의 조정과, 풍력이나 태양광 발전과 같은 신재생 에너지 발전의 불균일한 출력을 적절히 분배하고 기존 전력 계통과의 차이에서 발생하는 전압 및 주파수 변동 등의 영향을 제어하기 위해서 이차 전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 이러한 분야에서 이차 전지의 활용도에 대한 기대치가 높아지고 있다.
대용량 전력 저장용으로 사용될 이차 전지에 요구되는 특성을 살펴보면 에너지 저장 밀도가 높아야 하며, 이러한 특성에 가장 적합한 고용량 및 고효율의 이차 전지로서 레독스 플로우 전지가 가장 각광받고 있다.
레독스 플로우 전지는 기존 이차 전지와는 달리 전해액 중의 활물질(active material)이 산화 환원되어 충방전되는 시스템으로, 전해액의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 저장시키는 전기화학적 축전 장치이다. 레독스 플로우 전지에 대한 연구는 1974년 미국 나사(NASA; National Aeronautics and Space Admi-nistration)의 LRC(Lewis Research Centre)에서 시작되었다. 레독스 플로우 전지는 레독스 커플, 전기화학 반응 메카니즘, 이온교환막 개발, 성능 시험 등의 연구가 활발하게 진행되어, 2000년경부터 스미토모 전기공업이 판매를 개시해전력 저장용 시스템으로서 주야간 부하 변동의 평준화, 순간 저전압 보상, 풍력 발전의 출력 균등화 등에 이용되고 있다.
레독스 플로우 전지에 있어서 전극은 유전체에 전기장을 만들거나, 계에 전류를 끌어내는 목적으로 배치된 도체에 해당한다. 이러한 레독스 플로우 전지에 대표적인 전극 중 하나로 펠트 전극이 사용된다. 펠트 전극은 집전체와의 접합강도에 따라 전기적인 특성이 변하게 된다. 이에 따라, 펠트 전극에 대한 성능을 개선하고자 하는 많은 연구가 진행되고 있지만, 펠트 전극의 전기적 특성을 정확하게 분석하기 어려운 문제점이 있었다.
또한 펠트 전극은 실제 레독스 플로우 전지 제조 공정에서 압축되어 사용하기 때문에 압축률에 따른 특성 변화 예측이 매우 중요한 요소로 작용하게 된다.
한국공개특허 제2015-0095037호(2015.08.20.)
따라서 본 발명의 목적은 레독스 플로우 전지에 사용되는 펠트 전극의 전기적 특성을 분석하되, 펠트 전극에 가해지는 접합강도를 일정하게 조절하여 펠트 전극의 전기적 특성을 정확하게 분석할 수 있는 펠트 전극 특성 분석용 셀을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀은 전해질이 충진되는 공간이 형성된 전해질 챔버와, 분석의 기준 값이 되는 기준 전극을 구비하는 기준 전극부, 상기 기준 전극부를 기준으로 일측면에 배치되며, 분석 대상이 되는 작업 전극을 구비하고, 상기 작업 전극에 가해지는 압력을 일정하게 유지한 상태로 상기 작업 전극으로부터 응답하는 전류 측정을 위한 작업 전극부, 상기 기준 전극부를 기준으로 상기 작업 전극부의 반대편에 배치되며, 상대 전극을 구비하여 상기 작업 전극부에서 전자 전달이 이루어짐에 따른 전하 밸런스를 유지하는 상대 전극부를 포함한다.
본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀에 있어서, 상기 작업 전극 또는 상기 기준 전극은 펠트 전극을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀에 있어서, 상기 작업 전극부는 상기 전해질 챔버의 일측면에 접촉되어 상기 전해질 챔버로부터 충진되는 상기 전해질을 수용하고, 상기 작업 전극의 일측을 지지하는 제1 플로우 프레임, 상기 제1 플로우 프레임과 접촉되고, 중심 부분에 상기 작업 전극을 수용하여 상기 작업 전극의 유동을 방지하는 수용홀이 형성된 절연 필름, 상기 절연 필름의 일측면에 접촉하여 상기 제1 플로우 프레임에 수용된 상기 전해질이 외부로 배출되지 않도록 밀폐 공간을 형성하고, 상기 작업 전극의 타측을 지지하여 상기 제1 플로우 프레임과 함께 상기 작업 전극을 고정시키는 제1 바이폴라판, 상기 제1 바이폴라판의 일측면에 접촉하고, 상기 제1 바이폴라판으로부터 인가되는 전류 응답을 측정하기 위한 제1 측정판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀에 있어서, 상기 제1 플로우 프레임은 중심 부분에 상기 전해질을 수용하는 제1 개방부가 형성된 제1 프레임, 상기 제1 프레임의 상기 제1 개방부를 가로질러 형성되어 상기 작업 전극의 일측을 지지하는 제1 지지부를 포함하고, 상기 제1 지지부는 상기 제1 프레임의 두께보다 얇게 형성되어 상기 작업 전극이 안착되는 공간을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀에 있어서, 상기 작업 전극에 가해지는 압력은 상기 제1 지지부의 두께에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀에 있어서, 상기 상대 전극부는 상기 전해질 챔버의 일측면에 접촉되고, 중심 부분에 상기 전해질 챔버로부터 충진되는 상기 전해질을 수용하는 제2 개방부와, 상기 제2 개방부를 가로질러 형성되어 상기 상대 전극의 일측을 지지하는 제2 지지부를 포함하는 제2 플로우 프레임, 상기 제2 플로우 프레임과 접촉되고, 중심 부분에 상기 상대 전극을 수용하여 상기 상대 전극의 유동을 방지하는 수용홀이 형성된 제3 플로우 프레임, 상기 제3 플로우 프레임의 일측면에 접촉하여 상기 제2 플로우 프레임에 수용된 상기 전해질이 외부로 배출되지 않도록 밀폐 공간을 형성하고, 상기 상대 전극의 타측을 지지하여 상기 제2 플로우 프레임과 함께 상기 상대 전극을 고정시키는 제2 바이폴라판, 상기 제2 바이폴라판의 일측면에 접촉하고, 상기 제2 바이폴라판으로부터 인가되는 전류 응답을 측정하기 위한 제2 측정판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀에 있어서, 상기 제1 플로우 프레임, 제2 플로우 프레임, 상기 제3 플로우 프레임 및 상기 절연 필름의 재질은 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE : Polytetra fluoroethylene)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀에 있어서, 상기 전해질 챔버로부터 상기 작업 전극부와 상기 상대 전극부를 고정하는 케이스를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀에 있어서, 상기 케이스는 상기 기준 전극부를 기준으로 일측부에 배치되어 상기 작업 전극부를 수용하는 제1 케이스, 상기 기준 전극부를 기준으로 상기 제1 케이스의 반대편에 배치되어 상기 상대 전극부를 수용하는 제2 케이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀은 작업 전극의 일측을 지지하는 제1 지지부의 두께 조절을 통해 작업 전극에 가해지는 접합강도를 일정하게 조절하여 펠트 전극의 전기적 특성을 정확하게 분석할 수 있다.
이에 따라 본 발명에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀은 작업 전극에 가해지는 압력을 조절하여, 레독스 플로우 전지에서의 펠트 전극 특성을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 결합 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 작업 전극부를 나타낸 도면이다.
도 4는 비교예 1에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 비교예 2에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6은 비교예 1에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀을 이용하여 분석한 작업 전극의 전류 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 비교예 2에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀을 이용하여 분석한 작업 전극의 전류 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀을 이용하여 분석한 작업 전극의 전류 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 6 내지 도 8에 따른 피크(peak)에서의 x좌표 변화값의 차이를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 6 내지 도 8에 따른 양극 피크(peak)에서의 전류 밀도 값을 나타낸 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 결합 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 분석용 셀(100)은 기준 전극부(10), 작업 전극부(20) 및 상대 전극부(30)를 포함하며, 기준 전극부(10)로부터 작업 전극부(20)와 상대 전극부(30)를 고정하는 케이스(40)를 더 포함할 수 있다.
기준 전극부(10)는 본 실시예에 따른 펠트 전극 분석용 셀(100)에서 정확한 작업 전극(21)의 전기적 특성 분석을 위해 설치된다. 이러한 기준 전극부(10)는 기준 전극(11)과 전해질 챔버(12)를 포함한다.
전해질 챔버(12)는 내부에 전해질이 충진되는 공간이 형성된다. 즉 전해질 챔버(12)의 중심 부분은 관통되어 양측이 개방된다.
여기서 전해질 챔버(12)의 관통된 내부 공간(12a)은 후술할 작업 전극부(20)와 상대 전극부(30)에 의해 밀폐 공간을 형성하며, 형성된 밀폐 공간에 전해질이 충진되게 된다.
전해질 챔버(12)의 양측면은 작업 전극부(20)와 상대 전극부(30)의 일측면이 각각 밀착 결합될 수 있도록 평면으로 형성될 수 있다.
그리고 전해질 챔버(12)는 상부면으로부터 내부 공간(12a) 까지 관통한 관통홀(미도시)이 형성될 수 있다. 여기서 작업 전극(21)의 정확한 전기적 특성 분석을 위해서는 기준 전극(11)의 설치가 필요하다 따라서, 관통홀에는 기준 전극(11)이 전해질 챔버(12)의 상부에서부터 내부 공간(12a)까지 연장되도록 삽입된다.
기준 전극(11)은 전해질 챔버(12)를 관통하여 전해질 챔버(12)의 내부 공간에 충진되는 전해질에 잠길 수 있도록 삽입 고정된다.
이러한 기준 전극(11)은 작업 전극(21)에 인가되는 전압에 대한 기준값을 제공한다. 예컨데 기준 전극(11)으로는 수용성 기준 전극 또는 유용성 기준 전극이 사용될 수 있다.
작업 전극부(20)는 기준 전극부(10)를 기준으로 일측면에 배치되며, 분석 대상이 되는 작업 전극(21)을 구비한다. 여기서 본 실시예에 따른 작업 전극부(20)는 작업 전극(21)에 가해지는 압력을 일정하게 유지한 상태로 작업 전극(21)으로부터 응답하는 전류를 측정한다.
여기서 작업 전극(21)은 탄소, 백금, 구리, 알루미늄 또는 이들의 혼합물을 소재로한 펠트 전극이 될 수 있다. 이러한 작업 전극(21)은 평판 형태로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 원통형으로 형성될 수 있다.
이러한 작업 전극부(20)는 제1 플로우 프레임(22), 제1 바이폴라판(23) 및 제1 측정판(24)을 포함한다.
제1 플로우 프레임(22)은 전해질 챔버(12)의 일측면에 접촉되어 전해질 챔버에 충진되는 전해질을 수용하고, 작업 전극(21)의 일측을 지지한다. 여기서 제1 플로우 프레임(22)의 재질은 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE : Polytetra fluoroethylene)을 포함하는 절연 재질이 될 수 있다.
이러한 제1 플로우 프레임(22)은 제1 프레임(22a) 및 제1 지지부(22c)를 포함한다.
제1 프레임(22a)은 일측면이 전해질 챔버(12)에 밀착 고정될 수 있다. 또한 제1 프레임(22a)은 중심 부분에 전해질을 수용하는 제1 개방부(22b)가 형성될 수 있다. 여기서 제1 개방부(22b)는 전해질 챔버(12)에 충진되는 전해질이 작업 전극(21)이 잠길 수 있도록 전해질 챔버(12)의 내부 공간(12a)과 적어도 일부가 중첩되도록 형성될 수 있다.
제1 지지부(22c)는 제1 프레임(22a)의 제1 개방부(22b)를 가로질러 형성될 수 있다. 여기서 제1 지지부(22c)는 제1 프레임(22a)의 두께보다 얇게 형성되어 작업 전극(21)이 안착되는 공간을 형성할 수 있다. 즉 제1 지지부(22c)에는 작업 전극(21)의 일측면이 지지될 수 있다.
제1 바이폴라판(23)은 제1 플로우 프레임(22)의 제1 프레임(22a)의 일측면에 절연 필름(도 3의 25)을 사이에 두고 밀착될 수 있다. 여기서 제1 바이폴라판(23)은 제1 플로우 프레임(22)의 제1 개방부(22b)를 완전히 덮을 수 있도록 제1 프레임(22a)에 결합된다. 이에 따라 제1 바이폴라판(23)은 제1 개방부(22b)에 수용된 전해질이 외부로 배출되지 않도록 밀폐 공간을 형성할 수 있다.
또한 제1 바이폴라판(23)은 제1 지지부(22c)에 일측이 지지된 작업 전극(21)의 타측을 지지할 수 있다. 즉 제1 바이폴라판(23)은 제1 지지부(22c)와 함께 작업 전극(21)을 고정시킬 수 있다.
이러한 제1 바이폴라판(23)은 작업 전극(21)으로부터 출력되는 전류 또는 전압을 측정하기 위한 단자 역할을 할 수 있다.
제1 측정판(24)는 제1 바이폴라판(23)의 일측면에 접촉되어 제1 바이폴라판(23)을 매개로 작업 전극(21)으로부터 인가되는 전류 또는 전압 응답을 측정할 수 있다.
상대 전극부(30)는 전해질 챔버(12)를 기준으로 작업 전극부(20)의 반대편에 배치되며, 상대 전극(31)을 구비하여 작업 전극부(20)에서 전자 전달이 이루어짐에 따른 전하 밸런스를 유지할 수 있다.
여기서 상대 전극(31)은 탄소, 백금, 구리, 알루미늄 또는 이들의 혼합물을 소재로한 펠트 전극이 될 수 있다. 이러한 상대 전극(31)은 평판 형태로 제조될 수 있으며, 바람직하게는 직유면체로 형성될 수 있다.
한편 작업 전극(21)은 전기적 특성 분석에 대한 대상이 되는 전극이다. 따라서 상대 전극(31)이 반응에 대한 영향을 주어서는 안된다. 상대 전극(31)은 전류가 흐를 수 있도록 하는 보조 역할을 수행한다. 이러한 이유로, 상대 전극(31)의 전극 단면적은 작업 전극(21)의 전극 단면적보다 수십배 이상 넓은 단면적을 갖도록 제작된다. 예컨데 상대 전극(31)은 작업 전극(21) 면적의 최소 10배 이상의 단면적을 갖는 것이 바람직하다. 이유는 상대 전극(31)의 단면적이 이보다 작을 경우, 작업 전극(21)의 전기적 특성 분석에서 수집되는 정보에 오차를 유발할 수 있기 때문이다.
이러한 상대 전극부(30)는 제2 플로우 프레임(32), 제3 플로우 프레임(33), 제2 바이폴라판(34) 및 제2 측정판(35)를 포함한다.
제2 플로우 프레임(32)은 전해질 챔버(12)의 일측면에 접촉되어 전해질 챔버에 충진되는 전해질을 수용하고, 상대 전극(31)의 일측을 지지한다. 여기서 제2 플로우 프레임(32)의 재질은 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE : Polytetra fluoroethylene)을 포함하는 절연 재질이 될 수 있다.
제2 플로우 프레임(32)은 중심 부분에 전해질 챔버(12)로부터 충진되는 전해질을 수용하는 제2 개방부(32a)가 형성될 수 있다.
여기서 제2 개방부(32a)는 전해질 챔버(12)에 충진되는 전해질이 상대 전극(31)이 잠길 수 있도록 전해질 챔버(12)의 내부 공간(12a)과 적어도 일부가 중첩되도록 형성될 수 있다.
또한 제2 플로우 프레임(32)은 제2 개방부(32a)를 가로질러 형성되어 상대 전극(31)의 일측을 지지하는 제2 지지부(32b)를 포함할 수 있다.
제2 지지부(32b)는 단면적이 작업 전극(21)에 비해 넓은 상대 전극(31)을 지지하기 위하여 제2 개방부(32a)를 가로지르는 바가 복수개 배치된 형태로 형성될 수 있다.
제3 플로우 프레임(33)은 제2 플로우 프레임(32)과 접촉될 수 있다. 여기서 제3 플로우 프레임(33)은 중심 부분에 상대 전극(31)을 수용하여 상대 전극(31)의 유동을 방지하는 수용홀(33a)이 형성될 수 있다. 여기서 제3 플로우 프레임(33)의 재질은 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE : Polytetra fluoroethylene)을 포함하는 절연 재질이 될 수 있다.
제2 바이폴라판(34)은 제3 플로우 프레임(33)의 일측면에 밀착될 수 있다. 여기서 제2 바이폴라판(34)은 제3 플로우 프레임(33)의 수용홀(33a)을 완전히 덮을 수 있도록 제3 플로우 프레임(33)에 결합된다. 이에 따라 제2 바이폴라판(34)은 수용홀(33a)과 제2 플로우 프레임(32)의 제2 개방부(32a)에 수용된 전해질이 외부로 배출되지 않도록 밀폐 공간을 형성할 수 있다.
또한 제2 바이폴라판(34)은 제2 지지부(32b)에 일측이 지지된 상대 전극(31)의 타측을 지지할 수 있다. 즉 제2 바이폴라판(34)은 제2 지지부(32b)와 함께 상대 전극(31)을 고정시킬 수 있다.
이러한 제2 바이폴라판(34)은 상대 전극(31)으로부터 출력되는 전류 또는 전압을 측정하기 위한 단자 역할을 할 수 있다.
제2 측정판(35)은 제2 바이폴라판(34)의 일측면에 접촉되어 제2 바이폴라판(34)을 매개로 상대 전극(31)으로부터 인가되는 전류 또는 전압 응답을 측정할 수 있다.
한편 케이스(40)는 전해질 챔버(12)로부터 작업 전극부(20)와 상대 전극부(30)를 고정할 수 있다. 이러한 케이스(40)는 제1 케이스(41), 제2 케이스(42) 및 연결부재(43)를 포함할 수 있다.
제1 케이스(41)는 상대 전극부(30)를 수용하는 수용 공간이 형성될 수 있다. 제1 케이스(41)의 수용 공간은 상대 전극부(30)의 각 구성, 즉 제2 플로우 프레임(32), 제3 플로우 프레임(33), 제2 바이폴라판(34) 및 제2 측정부(35)의 단면적 보다 넓게 형성되되, 상대 전극부(30)의 각 구성들이 유동하지 않도록 형성될 수 있다. 도시되지는 않지만, 제1 케이스(41)의 하부에는 상대 전극부(30)의 각 구성들이 빠지지 않도록 각 구성들이 안착될 수 있는 걸림턱(미도시)이 형성될 수도 있다.
제2 케이스(42)에는 작업 전극부(20)를 수용하는 수용 공간이 형성될 수 있다. 제2 케이스(42)의 수용 공간은 작업 전극부(20)의 각 구성의 단면적보다 넓게 형성되어, 작업 전극부(20)의 각 구성들이 유동하지 않도록 형성될 수 있다. 제2 케이스(42)의 하부에는 작업 전극부(20)의 각 구성들이 빠지지 않도록 각 구성들이 안착될 수 있는 걸림턱(미도시)이 형성될 수도 있다.
이러한 제1 케이스(41) 및 제2 케이스(42)는 전해질 챔버(12)를 기준으로 연결부재(43)에 의해 서로 연결되어 고정될 수 있다. 연결부재(43)는 볼트(43a)와 너트(43b)로 구성되어 제1 케이스(41) 및 제2 케이스(42)를 고정시킬 수 있다. 즉 연결부재(43)는 볼트(43a)가 제1 케이스(41) 및 제2 케이스(42)를 관통하여 제1 케이스(41) 및 제2 케이스(42)를 연결하고, 너트(43b)에 의해 고정하여 제1 케이스(41) 및 제2 케이스(42)의 내부에 안착되는 작업 전극부(20) 및 상대 전극부(30)를 기준 전극부(10)를 중심으로 고정시킬 수 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 작업 전극부(20)에 대하여 더욱 상세하게 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 작업 전극부(20)를 나타낸 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 작업 전극부(20)는 상술한 바와 같이, 제1 플로우 프레임(22), 절연 필름(25), 제1 바이폴라판(23) 및 제1 측정판(24)을 포함하여 구성될 수 있다.
특히 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(100)은 제1 플로우 프레임(22)에 의해 작업 전극(21)에 가해지는 압력을 조절할 수 있다.
제1 플로우 프레임(22)의 제1 지지부(22c)는 제1 프레임(22a)의 두께보다 얇게 형성되어 작업 전극(21)이 안착되는 공간을 형성할 수 있다. 즉 제1 지지부(22c)가 제1 프레임(22a)의 두께보다 얇게 형성되게 되면, 제1 지지부(22c)와 제1 프레임(22a) 사이에는 단차(a)가 발생되게 된다. 여기서 제1 지지부(22c)와 제1 프레임(22a) 사이의 단차(a)에 의해 형성되는 공간에는 작업 전극(21)이 배치되게 된다.
이에 따라 작업 전극(21)에 가해지는 압력은 제1 지지부(22c)의 단차의 깊이에 의해 결정될 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(100)은 작업 전극(21)의 일측을 지지하는 제1 지지부(22c)의 두께 조절을 통해 작업 전극(21)에 가해지는 접합강도를 일정하게 조절하여 펠트 전극의 전기적 특성을 정확하게 분석할 수 있다.
또한 절연 필름(25)에는 중심 부분에 작업 전극(21)을 수용할 수 있는 수용홀(25a)이 형성될 수 있다. 이에 따라 절연 필름(25)은 수용홀(25a)을 통해 작업 전극(21)의 유동을 방지할 수 있다. 여기서 절연 필름(25)의 재질은 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE : Polytetra fluoroethylene)을 포함하는 절연 재질이 될 수 있다.
이에 따라 절연 필름(25)은 수용홀(25a)을 통해 작업 전극(21)을 제1 바이폴라판(23)에 접촉시키고, 작업 전극(21)을 전해질에 일부만 노출시킴으로써 작업 전극(21)의 전기적 특성 분석을 보다 정확하게 수행할 수 있도록 지원할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(100)과 비교예 1 및 비교예 2에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(200, 300)을 비교하여 설명하도록 한다.
도 4는 비교예 1에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 비교예 2에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀의 구성을 나타낸 도면이다.
비교예 1
도 4에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(200)은 전해질이 충진된 용기와, 전해질에 잠긴 기준 전극(210), 작업 전극(220) 및 상대 전극(230)을 포함하여 구성될 수 있다.
비교예 2
도 5에 도시된 바와 같이, 비교예 2에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(300)은 전해질이 충진된 용기와, 전해질에 잠긴 기준 전극(310), 작업 전극(320) 및 상대 전극(330)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 비교예 2에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(300)은 작업 전극(320)에 일정한 압력을 가하기 위하여 작업 전극(320)을 압박하는 압박판(340)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(100)과, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(200, 300) 각각을 순환전압전류법(Cyclic voltammetry)을 통하여 반복 분석하였다.
도 6은 비교예 1에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀을 이용하여 분석한 작업 전극의 전류 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 비교예 1에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(200)을 이용하여 반복 분석을 하였을 경우, 분석 결과가 일정하지 않고 각 결과 값에서 편차가 발생되는 것을 확인할 수 있다.
한편 도 7은 비교예 2에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀을 이용하여 분석한 작업 전극의 전류 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 비교예 2에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(300)을 이용하여 반복 분석을 하였을 경우, 비교예 1에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(200)과 대비하여 재현성이 높은 것으로 나타나지만, 분석 결과가 일정하지 않고 각 결과 값에서 편차가 발생되는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀을 이용하여 분석한 작업 전극의 전류 응답 특성을 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(100)을 이용하여 반복 분석을 하였을 경우, 비교예 1 및 2와 대비하여 결과 값의 편차가 거의 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 도 6 내지 도 8에 따른 피크(peak)에서의 x좌표 변화 값의 차이를 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 6 내지 도 8에 따른 양극 피크(peak)에서의 전류 밀도 값을 나타낸 그래프이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(100)의 반복 분석 결과 피크에서의 x좌표 변화 값과 양극 피크에서의 전류 밀도 값에 대한 오차가 비교예 1 및 2와 비교하여 현저하게 낮은 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 실시예에 따른 펠트 전극 특성 분석용 셀(100)은 비교예 1 및 2와 대비하여 재현성이 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.
한편, 본 도면에 개시된 실시예는 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 기준 전극부 11 : 기준 전극
12 : 전해질 챔버 20 : 작업 전극부
21 : 작업 전극 22 : 제1 플로우 프레임
23 : 제1 바이폴라판 24 : 제1 측정부
25 : 절연 필름 30 : 상대 전극부
31 : 상대 전극 32 : 제2 플로우 프레임
33 : 제3 플로우 프레임 34 : 제2 바이폴라판
35 : 제2 측정부 40 : 케이스
41 : 제1 케이스 42 : 제2 케이스
43 : 고정부재

Claims (9)

  1. 전해질이 충진되는 공간이 형성된 전해질 챔버와, 분석의 기준 값이 되는 기준 전극을 구비하는 기준 전극부;
    상기 기준 전극부를 기준으로 일측면에 배치되며, 분석 대상이 되는 펠트 전극인 작업 전극을 구비하고, 상기 작업 전극에 가해지는 압력을 일정하게 유지한 상태로 상기 작업 전극으로부터 응답하는 전류 측정을 위한 작업 전극부;
    상기 기준 전극부를 기준으로 상기 작업 전극부의 반대편에 배치되며, 상대 전극을 구비하여 상기 작업 전극부에서 전자 전달이 이루어짐에 따른 전하 밸런스를 유지하는 상대 전극부; 를 포함하고,
    상기 작업 전극부는,
    상기 전해질 챔버의 일측면에 접촉되어 상기 전해질 챔버로부터 충진되는 상기 전해질을 수용하고, 상기 작업 전극의 일측을 지지하는 제1 플로우 프레임;
    상기 제1 플로우 프레임과 접촉되고, 중심 부분에 상기 작업 전극을 수용하여 상기 작업 전극의 유동을 방지하는 수용홀이 형성된 절연 필름;
    상기 절연 필름의 일측면에 접촉하여 상기 제1 플로우 프레임에 수용된 상기 전해질이 외부로 배출되지 않도록 밀폐 공간을 형성하고, 상기 작업 전극의 타측을 지지하여 상기 제1 플로우 프레임과 함께 상기 작업 전극을 고정시키는 제1 바이폴라판;
    상기 제1 바이폴라판의 일측면에 접촉하고, 상기 제1 바이폴라판으로부터 인가되는 전류 응답을 측정하기 위한 제1 측정판; 을 포함하고,
    상기 제1 플로우 프레임은,
    중심 부분에 상기 전해질을 수용하는 제1 개방부가 형성된 제1 프레임;
    상기 제1 프레임의 상기 제1 개방부를 가로질러 형성되어 상기 작업 전극의 일측을 지지하는 제1 지지부; 를 포함하고,
    상기 제1 지지부는 상기 제1 프레임의 두께보다 얇게 형성되어 상기 작업 전극이 안착되는 공간을 형성하며,
    상기 작업 전극에 가해지는 압력은 상기 제1 지지부의 단차의 깊이에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 펠트 전극 특성 분석용 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 작업 전극 또는 상기 기준 전극은 펠트 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 펠트 전극 특성 분석용 셀.
  3. 전해질 챔버의 일측면에 접촉되어 상기 전해질 챔버로부터 충진되는 전해질을 수용하고, 작업 전극의 일측을 지지하는 제1 플로우 프레임;
    상기 제1 플로우 프레임과 접촉되고, 중심 부분에 상기 작업 전극을 수용하여 상기 작업 전극의 유동을 방지하는 수용홀이 형성된 절연 필름;
    상기 절연 필름의 일측면에 접촉하여 상기 제1 플로우 프레임에 수용된 상기 전해질이 외부로 배출되지 않도록 밀폐 공간을 형성하고, 상기 작업 전극의 타측을 지지하여 상기 제1 플로우 프레임과 함께 상기 작업 전극을 고정시키는 제1 바이폴라판;
    상기 제1 바이폴라판의 일측면에 접촉하고, 상기 제1 바이폴라판으로부터 인가되는 전류 응답을 측정하기 위한 제1 측정판; 을 포함하고,
    상기 제1 플로우 프레임은,
    중심 부분에 상기 전해질을 수용하는 제1 개방부가 형성된 제1 프레임;
    상기 제1 프레임의 상기 제1 개방부를 가로질러 형성되어 상기 작업 전극의 일측을 지지하는 제1 지지부; 를 포함하고,
    상기 제1 지지부는 상기 제1 프레임의 두께보다 얇게 형성되어 상기 작업 전극이 안착되는 공간을 형성하며,
    상기 작업 전극에 가해지는 압력은 상기 제1 지지부의 단차의 깊이에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 펠트 전극 특성 분석용 셀의 작업 전극.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 상대 전극부는,
    상기 전해질 챔버의 일측면에 접촉되고, 중심 부분에 상기 전해질 챔버로부터 충진되는 상기 전해질을 수용하는 제2 개방부와, 상기 제2 개방부를 가로질러 형성되어 상기 상대 전극의 일측을 지지하는 제2 지지부를 포함하는 제2 플로우 프레임;
    상기 제2 플로우 프레임과 접촉되고, 중심 부분에 상기 상대 전극을 수용하여 상기 상대 전극의 유동을 방지하는 수용홀이 형성된 제3 플로우 프레임;
    상기 제3 플로우 프레임의 일측면에 접촉하여 상기 제2 플로우 프레임에 수용된 상기 전해질이 외부로 배출되지 않도록 밀폐 공간을 형성하고, 상기 상대 전극의 타측을 지지하여 상기 제2 플로우 프레임과 함께 상기 상대 전극을 고정시키는 제2 바이폴라판;
    상기 제2 바이폴라판의 일측면에 접촉하고, 상기 제2 바이폴라판으로부터 인가되는 전류 응답을 측정하기 위한 제2 측정판;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 펠트 전극 특성 분석용 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 플로우 프레임, 제2 플로우 프레임, 상기 제3 플로우 프레임 및 상기 절연 필름의 재질은 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE : Polytetra fluoroethylene)을 포함하는 것을 특징으로 하는 펠트 전극 특성 분석용 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 챔버로부터 상기 작업 전극부와 상기 상대 전극부를 고정하는 케이스;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펠트 전극 특성 분석용 셀.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 케이스는,
    상기 기준 전극부를 기준으로 일측부에 배치되어 상기 작업 전극부를 수용하는 제1 케이스;
    상기 기준 전극부를 기준으로 상기 제1 케이스의 반대편에 배치되어 상기 상대 전극부를 수용하는 제2 케이스;
    상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스를 관통하여 상기 제1 케이스와 상기 제2 케이스를 고정하는 적어도 하나의 고정부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 펠트 전극 특성 분석용 셀.
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