KR101893902B1 - Electrolyteless electrode for electrochemical reaction that does not require an electrolyte - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 양극과 음극으로 이루어지며 전기화학반응장치에 사용되는 한 쌍의 전극판 사이에 상호 간에 서로 수십 마이크로미터 이하의 극미세 간극을 가지도록 인접하게 형성되는 복수개의 전극을 배치하여 전해질 없이도 비전도성 용액의 전기분해와 전해산화를 포함하는 전기화학반응을 유발시킬 수 있는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극에 관한 것이다. The present invention relates to a non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction that does not require an electrolyte, and more particularly, to a non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction, which comprises an anode and a cathode, The nonelectrolytic electrode for electrochemical reaction which does not require an electrolyte capable of causing an electrochemical reaction including electrolysis and electrolytic oxidation of a nonconductive solution without an electrolyte is provided by disposing a plurality of electrodes adjacent to each other so as to have a very fine gap .
산업이 급속도로 발전하면서 전기분해, 전해산화, 및 전기도금 등과 같은 전기화학반응을 이용한 기술이 각광을 받고 있다.With the rapid development of the industry, technologies using electrochemical reactions such as electrolysis, electrolytic oxidation, and electroplating are attracting attention.
이와 같이 전기를 이용한 전기화학반응은 전해질을 필요로 하는데, 여기서 전해질은 이온들의 이동으로 전류를 통하게 하는 물질로써 용액이 전기 전도성을 갖도록 하는 물질을 가리키며, 전도성이 거의 없거나 약한 비전도성용액은 전기화학반응이 일어나지 않아 필요로 하는 결과물을 얻지 못하기 때문에 반드시 전해질을 필요로 하고 있다.Electrochemical reactions using electricity require electrolytes, where the electrolyte is a material that conducts current through the movement of ions, which refers to a material that makes the solution electrically conductive, while a non-conductive or weakly conductive solution is electrochemically An electrolyte is required because the reaction does not occur and the desired result is not obtained.
그러나, 전기화학반응에 전해질을 필요로 하면서 전해질에 의한 비전도성용액의 2차 오염문제와 전해질 사용 및 제거에 따른 비용증가문제가 대두되고 있다.However, there is a problem of secondary contamination of the nonconductive solution by the electrolyte and cost increase due to the use and removal of the electrolyte, while requiring an electrolyte for the electrochemical reaction.
또한, 전해질이 해리될 수 있는 용액에만 전해질 투입이 가능하기 때문에 전해질이 해리되지 않거나 전해질 투입이 어려운 용액의 경우에는 전기화학반응을 이용하는 것 자체가 어려운 문제점이 있었다.In addition, since the electrolyte can be introduced only into the solution in which the electrolyte can dissociate, there is a problem in that it is difficult to use the electrochemical reaction in the case of the solution in which the electrolyte is not dissociated or the electrolyte is difficult to inject.
따라서, 전해질이 없더라도 전기분해, 전해산화, 전기도금과 같은 전기화학반응을 일으킬 수 있는 현실적이고도 적용이 가능한 기술이 절실한 실정이다.Therefore, even if there is no electrolyte, a realistic and applicable technology capable of causing electrochemical reactions such as electrolysis, electrolytic oxidation, and electroplating is urgently needed.
따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은, 양극과 음극으로 이루어지며 전기화학반응장치에 사용되는 한 쌍의 전극판 사이에 상호 간에 서로 수십 마이크로미터 이하의 극미세 간극을 가지도록 인접하게 형성되는 복수개의 전극을 배치하여 전해질 없이도 비전도성 용액의 전기분해와 전해산화를 포함하는 전기화학반응을 유발시킬 수 있는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극을 제공하는 데 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in an effort to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide an electrochemical device comprising a pair of electrode plates made of an anode and a cathode, There is provided a non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction in which a plurality of electrodes formed adjacently to each other so as to have an electrochemical reaction including electrolysis of a non-conductive solution and electrolytic oxidation, There is a purpose.
본 발명의 실시예에 따른 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극은, 양극과 음극이 각각 인가되는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에서 상호 간에 서로 수십 마이크로미터 이하의 극미세 간극을 가지도록 인접하게 형성되는 복수개의 전도성 전극;을 구비하고, 상기 극미세 간극은, 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.The non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction which does not require an electrolyte according to an embodiment of the present invention includes a pair of electrodes to which an anode and a cathode are respectively applied; And a plurality of conductive electrodes formed adjacent to each other between the pair of electrodes so as to have a very fine gap of several tens of micrometers or less with respect to each other, and at least one very fine gap may be formed.
상기 극미세 간극은, 1 나노미터(nm) 이상 40 마이크로미터(㎛) 이하일 수 있다.The extremely fine gap may be 1 nanometer (nm) or more and 40 micrometer (mu m) or less.
본 발명의 실시예에 따른 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극은, 상기 복수개의 전도성 전극을 보호하기 위한 보호커버를 더 구비할 수 있다.The non-electrolytic electrode for electrochemical reactions, which does not require an electrolyte according to an embodiment of the present invention, may further include a protective cover for protecting the plurality of conductive electrodes.
상기 보호커버는, 상기 양극과 음극이 인가되는 한 쌍의 전극에 인접하여 배치될 경우에는 전도성을 갖는 재질로 형성되며, 상기 한 쌍의 전극이 배치되지 않은 부위에서 상기 복수개의 전도성 전극을 커버하는 경우에는 비전도성재질로 형성될 수 있다.Wherein the protective cover is formed of a conductive material when disposed adjacent to the pair of electrodes to which the positive electrode and the negative electrode are applied and covers the plurality of conductive electrodes at a portion where the pair of electrodes are not disposed And may be formed of a non-conductive material.
본 발명의 실시예에 따른 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극은, 상기 한 쌍의 전극은 각각 외측으로 배치되고, 상기 복수개의 전도성 전극은 내측에 배치되며, 전체적으로 간극구조를 가지며 형성될 수 있다.The non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction which does not require an electrolyte according to an embodiment of the present invention is characterized in that the pair of electrodes are disposed on the outside, the plurality of conductive electrodes are disposed on the inside, .
본 발명의 실시예에 따른 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극은, 상기 한 쌍의 전극은 봉형상의 중심전극을 원통형의 외부전극이 둘러싸는 형태로 배치되고, 상기 복수개의 전도성 전극은 상기 중심전극을 기준으로 동심원을 가지며 서로 다른 크기의 지름을 갖는 복수개의 원통형 전극이 순차적으로 배치되는 구조로 형성될 수 있다.The non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction according to an embodiment of the present invention is characterized in that the pair of electrodes are arranged such that a cylindrical outer electrode surrounds a rod-shaped center electrode, and the plurality of conductive electrodes And a plurality of cylindrical electrodes having concentric circles with respect to the center electrode and having diameters of different sizes may be sequentially arranged.
상기 복수개의 전도성 전극은, 가느다란 모발이나 실형태의 전극체가 상하좌우로 배열되고 인접한 전극 사이에 미세기공을 구비하는 다공질 전극체로 형성될 수 있다.The plurality of conductive electrodes may be formed of a porous electrode body having fine pores between adjacent electrodes arranged in an up,
상기 복수개의 전도성 전극은 각각, 메쉬망형태의 면을 갖는 전극체로 형성될 수 있다.Each of the plurality of conductive electrodes may be formed of an electrode body having a mesh-like surface.
상기 복수개의 전도성 전극은 각각, 타공형태의 면을 갖는 전극체로 형성될 수 있다.Each of the plurality of conductive electrodes may be formed of an electrode body having a perforated surface.
상기 한 쌍의 전극은, 일측은 난용/불용성 금속재질의 양극 전극으로 형성되고, 타측은 전도성 금속재질의 음극 전극으로 형성되며, 인접하게 배치되는 복수개의 전도성 전극에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.The pair of electrodes may be formed of a cathode electrode made of a hard / insoluble metal material on one side and a cathode electrode made of a conductive metal material on the other side, and may be electrically connected to a plurality of conductive electrodes disposed adjacent to each other.
상기 양극 전극으로 형성되는 난용/불용성 금속재질은, 금, 탄소, 은, 백금계, 이리듐계, 루테늄계, 팔라듐계, 티타늄계 재질 중 어느 하나이거나 이들의 혼합 재질일 수 있다.The refractory / insoluble metal material formed of the anode electrode may be any one of gold, carbon, silver, platinum, iridium, ruthenium, palladium, and titanium materials or a mixture thereof.
상기 음극 전극으로 형성되는 전도성 금속재질은, 금, 탄소, 은, 백금계, 이리듐계, 루테늄계, 팔라듐계, 티타늄계, 스텐레스 스틸, 니켈, 알루미늄, 구리, 철, 주석, 크롬, 납, 아연 재질 중 어느 하나이거나 이들의 혼합 재질일 수 있다.The conductive metal material formed by the cathode electrode may be at least one of gold, carbon, silver , platinum, iridium, ruthenium, palladium, titanium, stainless steel, nickel, aluminum, copper, iron, tin, Or a mixed material thereof.
상기 한 쌍의 전극 및 복수개의 전도성 전극은, 인가되는 전류밀도 값이 32 ASD(Ampere Per Square Deci-Metre) 이하일 수 있다.The current density value of the pair of electrodes and the plurality of conductive electrodes may be less than 32 ASD (Amperes Per Square Deci-Meter).
본 발명의 실시예에 따른 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극은, 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되는 복수개의 전극이 형성하는 적어도 하나 이상의 극미세 간극에 의하여 비전도성용액에 전류가 통할 수 있다.The non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction which does not require an electrolyte according to an embodiment of the present invention is characterized in that current is passed through the non-conductive solution by at least one extremely fine gap formed by a plurality of electrodes disposed between the pair of electrodes .
본 발명의 실시예에 따른 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극은, 상기 비전도성용액이 혼합액체일 경우에 서로 다른 크기의 전압을 인가하여 혼합액체에서 특정성분만을 분해할 수 있다.The non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction which does not require an electrolyte according to an embodiment of the present invention can dissolve only a specific component in a mixed liquid by applying voltages of different magnitudes when the non-conductive solution is a mixed liquid.
상기 비전도성용액은, 인가되는 전류농도가 30 A/L(Ampere Per Liter)이하일 수 있다.The nonconductive solution may have a current density of 30 A / L or less.
상기 복수개의 전극은, 난용/불용성 금속재질로 형성될 수 있다.The plurality of electrodes may be formed of a refractory / insoluble metal material.
상기 난용/불용성 금속재질은, 금, 탄소, 은, 백금계, 이리듐계, 루테늄계, 팔라듐계, 티타늄계 재질 중 어느 하나이거나 이들의 혼합재질일 수 있다.The light-scattering / Gold, carbon, silver, platinum-based, iridium-based, ruthenium-based, palladium-based or titanium-based materials, or a mixed material thereof.
본 발명의 실시예에 따른 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극은, 상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되는 복수개의 전극이 형성하는 적어도 하나 이상의 극미세 간극에 의하여 전도성용액의 전도성을 높일 수 있다.The non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction, which does not require an electrolyte according to an embodiment of the present invention, can increase the conductivity of the conductive solution by at least one extremely fine gap formed by a plurality of electrodes disposed between the pair of electrodes have.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 양극과 음극으로 이루어지며 전기화학반응장치에 사용되는 한 쌍의 전극판 사이에 상호 간에 서로 수십 마이크로미터 이하의 극미세 간극을 가지도록 인접하게 형성되는 복수개의 전극을 배치하여 전해질 없이도 비전도성 용액의 전기분해와 전해산화를 포함하는 전기화학반응을 유발시킬 수 있는 비전도성용액의 전기화학반응이 가능한 무전해질 전극구조를 제공하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, there is provided an electrochemical device comprising a plurality of electrode plates formed of a positive electrode and a negative electrode and formed of a pair of electrode plates adjacent to each other so as to have a very fine gap of several tens of micrometers or less There is an effect of providing a non-electrolytic electrode structure capable of electrochemically reacting a non-conductive solution capable of inducing an electrochemical reaction including electrolysis and electrolytic oxidation of a non-conductive solution without arranging an electrode.
또한, 본 발명은, 비전도성용액에 전해질을 첨가하지 않더라도 전기화학반응을 일으킬 수 있기 때문에 먹는물 정수, 지하수 정화 및 폐수처리와 같은 수처리 사업에 적용할 수 있는 효과가 있다.Further, since the present invention can cause an electrochemical reaction even when an electrolyte is not added to a nonconductive solution, the present invention can be applied to a water treatment business such as drinking water purification, groundwater purification, and wastewater treatment.
또한, 본 발명은, 전해질 첨가가 어려운 종래의 비전도성용액에서도 전기화학반응을 일으킬 수 있는 효과가 있다.Further, the present invention has an effect of causing an electrochemical reaction even in a conventional nonconductive solution which is difficult to add an electrolyte.
또한, 본 발명은, 전기화학반응장치에 사용되는 한 쌍의 전극 사이에 배치되는 복수개의 전극이 형성하는 적어도 하나 이상의 극미세 간극에 의하여 전도성용액의 전도성을 높일 수 있는 효과가 있다.The present invention also has the effect of increasing the conductivity of the conductive solution by at least one extremely fine gap formed by a plurality of electrodes disposed between a pair of electrodes used in the electrochemical reaction apparatus.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 무전해질 전극을 개략적으로 나타내는 외부사시도이다.
도 3은 도 1 내지 도 2에 도시된 한 쌍의 전극을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1 내지 도 2에 도시된 복수개의 전도성 전극을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무전해질 전극을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4에 도시된 전도성 전극 사이의 극미세 간극을 설명하기 위하여 실시예에 따른 무전해질 전극의 미세간극을 전자현미경으로 촬영하여 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극의 다공질형태를 전자현미경으로 촬영하여 나타내는 도면이다.
도 8은 종래기술에 의하여 순수를 이용한 염화나트륨(GR급, 순도99.5%) 전해질용액의 전류에 따른 전압변화 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 종래기술에 의하여 순수를 이용한 황산나트륨(EP급, 순도99%) 전해질용액의 전류에 따른 전압변화 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 순수를 이용한 비전도성용액에 무전해질 전극을 적용하여 전류에 따른 전압변화 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 종래기술과 본 발명에 따른 무전해질 전극을 사용한 전해질량을 비교하여 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명과 종래기술의 COD제거실험에 의한 효율을 비교하는 도면이다.
도 13 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극의 전류농도와 전류밀도에 따른 전압변화를 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극구조를 적용하였을 때 다수의 비전도성용액에 대한 전압값의 실험결과를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따라 전해질을 첨가한 전도성용액에 대하여 무전해질 전극구조를 적용하였을 때와 기존전극을 적용하였을 때의 전압변화를 나타내는 도면이다.1 is a schematic view for explaining a non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction which does not require an electrolyte according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an external perspective view schematically showing the non-electrolytic electrode shown in FIG. 1. FIG.
3 is a view showing a pair of electrodes shown in Figs. 1 and 2. Fig.
FIG. 4 is a view showing a plurality of conductive electrodes shown in FIGS. 1 and 2. FIG.
5 is a view illustrating a non-electrolytic electrode according to another embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a microelectrode of a non-electrolytic electrode according to an embodiment of the present invention, taken along an electron microscope to illustrate the microscopic gaps between the conductive electrodes shown in FIG.
7 is an electron microscope photograph of a porous form of a non-electrolytic electrode according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing a voltage change experiment result according to a current of an electrolyte solution of sodium chloride (GR grade, purity 99.5%) using pure water according to the prior art.
9 is a graph showing a voltage change experiment result according to the current of an electrolyte solution of sodium sulfate (EP grade, purity 99%) using pure water according to the prior art.
10 is a graph showing the results of a voltage change experiment according to an electric current by applying a non-electrolytic electrode to a non-conductive solution using purified water according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a view showing a comparison between the electrolytic masses using the non-electrolytic electrode according to the prior art and the present invention.
FIG. 12 is a graph comparing the efficiencies of the present invention and the conventional COD elimination experiment.
13 to 14 are graphs showing voltage changes according to current density and current density of the non-electrolytic electrode according to the embodiment of the present invention.
15 is a graph showing experimental results of voltage values for a plurality of nonconductive solutions when the non-electrolytic electrode structure according to an embodiment of the present invention is applied.
16 is a graph showing voltage changes when a non-electrolytic electrode structure is applied to a conductive solution to which an electrolyte is added according to another embodiment of the present invention, and when a conventional electrode is applied.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The description of the present invention is merely an example for structural or functional explanation, and the scope of the present invention should not be construed as being limited by the embodiments described in the text. That is, the embodiments are to be construed as being variously embodied and having various forms, so that the scope of the present invention should be understood to include equivalents capable of realizing technical ideas.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.Meanwhile, the meaning of the terms described in the present invention should be understood as follows.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.The terms "first "," second ", and the like are intended to distinguish one element from another, and the scope of the right should not be limited by these terms. For example, the first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" to another element, it may be directly connected to the other element, but there may be other elements in between. On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. On the other hand, other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.It is to be understood that the singular " include " or "have" are to be construed as including the stated feature, number, step, operation, It is to be understood that the combination is intended to specify that it does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In each step, the identification code (e.g., a, b, c, etc.) is used for convenience of explanation, the identification code does not describe the order of each step, Unless otherwise stated, it may occur differently from the stated order. That is, each step may occur in the same order as described, may be performed substantially concurrently, or may be performed in reverse order.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.All terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined. Commonly used predefined terms should be interpreted to be consistent with the meanings in the context of the related art and can not be interpreted as having ideal or overly formal meaning unless explicitly defined in the present invention.
본 발명은 비전도성용액에 전해질을 첨가하지 않더라도 전류를 통하게 할 수 있는 무전해질 전극구조에 관한 것이다.The present invention relates to a non-electrolytic electrode structure capable of conducting an electric current even when an electrolyte is not added to a non-conductive solution.
도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명하기에 앞서 본 발명에 따른 무전해질 전극구조에 적용된 기술적 사상을 설명하면 다음과 같다.Before describing embodiments according to the present invention with reference to the drawings, the technical idea applied to the non-electrolytic electrode structure according to the present invention will be described as follows.
일반적으로 전압은 저항과 전류의 곱으로 계산되어지며, 일정시간동안 흐른 전하량을 전류로 볼때 저항이 작으면 전류가 잘 통하고 저항이 일정할 때는 전압이 높아질 때 전류가 잘 통할 수 있다.Generally, the voltage is calculated as the product of the resistance and the current. When the amount of charge flowing for a certain period of time is regarded as the current, when the resistance is small, the current is good. When the resistance is constant, the current is good when the voltage is high.
그러나, 전압이 높을 경우 과도한 전압으로 인해 시스템에 많은 부하가 걸릴 수 있으므로 전압을 높여 전류를 통하게 하는 것보다 저항을 조절하는 편이 효과적이다.However, when the voltage is high, excessive voltage may cause a heavy load on the system. Therefore, it is more effective to adjust the resistance than to increase the voltage to make the current flow.
한편, 본 발명이 적용되는 전기화학반응에서 용액은 하나의 저항으로 작용할 수 있다. 여기서, 저항은 전류가 통하는 길이와 비저항값에 비례하고 단면적에 반비례한다. 또한, 비저항은 전기전도도의 역수이다. 저항을 낮게 하는 것이 전기화학반응을 수행하는데 있어서 중요사항이다. On the other hand, in the electrochemical reaction to which the present invention is applied, the solution can act as a single resistor. Here, the resistance is proportional to the length of the current and the resistivity value, and is inversely proportional to the cross-sectional area. Also, the resistivity is an inverse of the electric conductivity. Lowering the resistance is an important consideration in performing electrochemical reactions.
1833년 패러데이가 전기분해법칙을 발견한 이래로 네른스트가 평형상태의 단극전위차를 열역학적으로 구하여 전극전위를 화학반응종의 활량으로 나타내었다. 그 뒤 전기화학 반응을 위해 사용해야 하는 전해질 용액에 대한 연구가 활발히 진행되어, 디바이-휘켈은 전해질 용액의 이온세기와 활동도 계수의 관계를 수식화 하였고, 타펠은 전해에 있어서 과전압과 전류밀도의 관계를 밝혔다. 또한, 그동안 대부분 전도성이 낮은 용액에서 전해질을 첨가하여 저항을 줄이려는 노력을 시도해 왔다.Since Faraday discovered the law of electrolysis in 1833, Nernst found the equilibrium unipolar potential thermodynamically and expressed the electrode potential as the activity of the chemically reactive species. After that, researches on the electrolytic solution to be used for the electrochemical reaction proceeded actively, and the relationship between the ionic strength and the activity coefficient of the electrolyte solution was formulated by Divya-Fikel, and the relationship between the overvoltage and the current density He said. In addition, efforts have been made to reduce the resistance by adding an electrolyte in a solution having a low conductivity.
이와 같이 종래기술은 저항을 줄이기 위하여 전해질을 첨가하는데 반하여, 본 발명에서는 저항을 줄이기 위하여 전극사이의 간격을 줄이고자 시도하였다.As described above, in the prior art, in order to reduce the resistance, the electrolyte is added in order to reduce the resistance.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극을 개략적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 무전해질 전극을 개략적으로 나타내는 외부사시도이다.FIG. 1 is a schematic view for explaining a non-electrolytic electrode for an electrochemical reaction which does not require an electrolyte according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an external perspective view schematically showing the non-electrolytic electrode shown in FIG.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 비전도성용액의 전기화학반응이 가능한 무전해질 전극은, 한 쌍의 전극(10,20), 및 복수개의 전도성 전극(30)을 구비할 수 있다.As shown in the drawing, a non-electrolytic electrode capable of electrochemically reacting with a non-conductive solution according to an embodiment of the present invention may include a pair of
보다 상세하게는, 상기 한 쌍의 전극(10,20)은, 상측으로 배치되는 상부전극(10)과 하측으로 배치되는 하부전극(20)을 포함할 수 있으며, 상기 한 쌍의 전극(10,20)은 각각 외측으로 배치되고, 상기 복수개의 전도성 전극(30)은 내측에 배치되며, 전체적으로 간극구조를 가지며 형성될 수 있다.More specifically, the pair of
이때, 상기 상부전극(10)과 하부전극(20)은 외부전극과 전기적으로 연결되며, 본 발명의 실시예에서 상기 상부전극(10)은 난용/불용성 금속재질의 양극(애노드, anode, 산화) 전극으로 형성될 수 있고, 하부전극(20)은 전도성 금속재질의 음극(캐소드, cathode, 환원) 전극으로 형성되며, 인접하게 배치되는 복수개의 전극(30)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다.In this case, the
또한, 상기 복수개의 전극(30)은, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 한 쌍의 전극(10,20) 사이에서 상호 간에 서로 수십 마이크로미터 이하의 극미세 간극(100)을 가지도록 인접하게 형성될 수 있다.As shown in the drawing, the plurality of
여기서, 상기 극미세 간극(100)은 적어도 하나 이상 형성될 수 있으며, 상기 복수개의 전극(30)을 보호하기 위한 보호커버(40)를 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 보호커버(40)는, 상기 양극과 음극이 인가되는 한 쌍의 전극에 인접하여 배치될 경우에는 전도성을 갖는 재질로 형성되며, 상기 한 쌍의 전극이 배치되지 않은 부위에서 상기 복수개의 전도성 전극을 커버하는 경우에는 비전도성재질로 형성될 수 있다.Here, at least one of the extremely
한편, 본 발명의 실시예에서는 상기 보호커버(40)가 전극(30)의 일측 외측면에 배치되어 전극판과 접하는 위치에 형성되었으나, 그 지점에 한정하지 않고 전극(30)을 보호하는 구조로 다양한 위치에 형성될 수 있다.Although the
도 3은 도 1 내지 도 2에 도시된 한 쌍의 전극을 나타내는 도면이다.3 is a view showing a pair of electrodes shown in Figs. 1 and 2. Fig.
도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 한 쌍의 전극(10,20)을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Referring to FIG. 3, a pair of
본 발명의 실시예에서, 상기 한 쌍의 전극(10,20)은, 일측인 상부전극(10)은 난용/불용성 금속재질의 양극 전극으로 형성될 수 있고, 타측인 하부전극(20)은 전도성 금속재질의 음극 전극으로 형성될 수 있다.In the embodiment of the present invention, the pair of
여기서, 상기 양극 전극으로 형성되는 난용/불용성 금속재질은, 금, 탄소, 은, 백금계, 이리듐계, 루테늄계, 팔라듐계, 티타늄계 재질 중 어느 하나 이거나 이들의 혼합 재질일 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 백금 또는 이리듐계 재질로 형성될 수 있다.Here, the refractory / insoluble metal material formed by the anode electrode may be gold, carbon, silver, Based material, platinum-based, iridium-based, ruthenium-based, palladium-based, and titanium-based materials, or a mixture thereof, and may be formed of a platinum or iridium-based material in the embodiment of the present invention.
또한, 상기 음극 전극으로 형성되는 전도성 금속재질은, 금, 탄소, 은, 백금계, 이리듐계, 루테늄계, 팔라듐계, 티타늄계, 스텐레스 스틸, 니켈, 알루미늄, 구리, 철, 주석, 크롬, 납, 아연 재질 중 어느 하나이거나 이들의 혼합 재질일 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 티타늄계 재질로 형성될 수 있다.The conductive metal material may be at least one selected from the group consisting of gold, carbon, silver, platinum, iridium, ruthenium, palladium, titanium, stainless steel, nickel, aluminum, copper, iron, tin, , A zinc material, or a mixed material thereof, and may be formed of a titanium-based material in an embodiment of the present invention.
또한, 상기 한쌍의 전극(10,20)은 형상을 제한하지 않고, 다른 예로, 박막형태로 형성될 수 있으며, 메쉬망형태의 면을 갖는 전극체로 형성되거나 타공형태의 면을 갖는 전극체로 형성될 수 있다.In addition, the pair of
도 4는 도 1 내지 도 2에 도시된 복수개의 전도성 전극을 나타내는 도면이다.FIG. 4 is a view showing a plurality of conductive electrodes shown in FIGS. 1 and 2. FIG.
도면에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 상부전극(10) 및 하부전극(20) 사이에서 극미세 간극을 가지고 복수개의 전극(30)이 형성된다.As shown in the figure, a plurality of
이때, 상기 복수개의 전극(30)은, 본 발명의 실시예에서는 가느다란 모발이나 실형태의 전극체가 상하좌우로 배열되고 인접한 전극 사이에 미세기공을 구비하는 다공질 전극체로 형성될 수 있다.At this time, in the embodiment of the present invention, the plurality of
또한, 상기 복수개의 전극(30)은 형상을 제한하지 않고, 다른 예로, 박막형태로 형성될 수 있으며, 메쉬망형태의 면을 갖는 전극체로 형성되거나 타공형태의 면을 갖는 전극체로 형성될 수 있다.In addition, the plurality of
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 전극면상에 관통공이 형성됨으로서 전도성 및 전기화학반응 대상물질과의 반응표면적을 높일 수 있다.As described above, according to the embodiment of the present invention, the through hole is formed on the electrode surface, so that the surface area of the conductive and electrochemical reaction can be increased.
또한, 본 발명의 실시예에서, 상기 복수개의 전극(30)은, 전극판과 전기적으로 연결된 채 상호간에 서로 극미세 간극을 가지고 배치되기 때문에 산화가 발생할 수 있으며, 따라서, 양극 전극과 같이 산화되는 것을 방지하기 위하여 난용/불용성 금속재질로 형성될 수 있다.In addition, in the embodiment of the present invention, since the plurality of
여기서, 상기 난용/불용성 금속재질은, 금, 탄소, 은, 백금계, 이리듐계, 루테늄계, 팔라듐계, 티타늄계 재질 중 어느 하나이거나 이들의 혼합 재질이며, 본 발명의 실시예에서는 탄소재질로 형성될 수 있다.Here, the refractory / insoluble metal material may be any one of gold, carbon, silver, platinum, iridium, ruthenium, palladium, and titanium materials or a mixture thereof. In the embodiment of the present invention, .
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 한 쌍의 전극(10,20) 사이에 배치되는 복수개의 전극이 형성하는 적어도 하나 이상의 극미세 간극(30)에 의하여 비전도성용액에 전류가 통하며, 여기서, 후술하는 도 13에서 설명한 바와 같이, 상기 비전도성용액은, 인가되는 전류농도가 30 A/L(Ampere Per Liter)이하인 것이 바람직하다.According to an embodiment of the present invention, current flows through the non-conductive solution by at least one extremely
한편, 본 발명의 실시예에서, 후술하는 도 14에서 설명한 바와 같이, 상기 한 쌍의 전극 및 복수개의 전도성 전극은, 인가되는 전류밀도 값이 32 ASD(Ampere Per Square Deci-Metre) 이하인 것이 바람직하다.Meanwhile, in the embodiment of the present invention, as described in FIG. 14 to be described later, it is preferable that the pair of electrodes and the plurality of conductive electrodes have a current density value of 32 ASD (Amperere Per Square Deci-Meter) or less .
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무전해질 전극을 나타내는 도면이다.5 is a view illustrating a non-electrolytic electrode according to another embodiment of the present invention.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무전해질 전극은, 양극과 음극이 각각 인가되는 한 쌍의 전극(11,21) 및 상기 한 쌍의 전극 사이에서 상호 간에 서로 수십 마이크로미터 이하의 극미세 간극을 가지도록 인접하게 형성되는 복수개의 전도성 전극(31)을 구비할 수 있다.As shown in the figure, a non-electrolytic electrode according to another embodiment of the present invention includes a pair of
여기서, 상기 한 쌍의 전극(11,21)은 봉형상의 중심전극(11)을 원통형의 외부전극(21)이 둘러싸는 형태로 배치되고, 상기 복수개의 전도성 전극(31)은 상기 중심전극(11)을 기준으로 동심원을 가지며 서로 다른 크기의 지름을 갖는 복수개의 원통형 전극이 순차적으로 배치되는 구조로 형성될 수 있다. 이때, 도면에는 도시되지 않았으나 상기 중심전극(11)이 외부원통형 전극(21)과 직접 접촉하는 부위는 절연체로 절연될 수 있으며, 복수개의 전극(31)을 보호하기 위하여 도 1에서 상술한 보호커버(미도시)를 더 구비할 수 있다.The pair of
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무전해질 전극은, 상기 도 1에서 상술한 구성에 대응되는 구성에 대해서는 상세한 설명은 생략하기로 한다.The non-electrolytic electrode according to another embodiment of the present invention will not be described in detail with respect to the configuration corresponding to the configuration described above with reference to FIG.
도 6은 도 4에 도시된 전도성 전극 사이의 극미세 간극을 설명하기 위하여 실시예에 따른 무전해질 전극의 미세간극을 전자현미경으로 촬영하여 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극의 다공질형태를 전자현미경으로 촬영하여 나타내는 도면이다.FIG. 6 is a cross-sectional view of a non-electrolytic electrode according to an embodiment of the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view of an electrode according to an embodiment of the present invention. And the porous form of the electrolyte electrode is photographed by an electron microscope.
도면을 참조하여 본 발명에 적용된 도 1에서 상술한 복수개 전극(30) 사이의 극미세 간극(100)을 상세하게 설명하면 다음과 같다. Referring to the drawings, an extremely
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 복수개의 전극(30)은, 전기전도도와 전기화학반응 대상물질과의 반응표면적을 높이기 위하여 미세기공을 구비하는 다공질 전극체로 형성될 수 있으며, 상기 복수개의 전극(30)은 상호간에 인접하는 사이에서 전자현미경에 도시된 바와 같이 극미세 간극(100)으로 이격될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the plurality of
다음은 이론적으로 극미세 전극의 간극범위에 대하여 기술한 내용이다.The following is theoretically describing the range of the gap of a very fine electrode.
금속전극이 용액속에 잠기게 되면 금속과 용액이 접촉하는 경계면에서 금속표면과 용액이 전기를 띠게 된다. 즉 금속의 표면에 전하가 모이면 용액 쪽에서도 경계면에 금속표면과 반대부호의 전하가 모이게 된다. 이러한 이유에서 금속표면에 전기이중층이 존재하게 되고 전극근처의 이러한 전기이중층에서는 양전하와 음전하가 분리되어 있어 공간전하가 있다고 한다. When the metal electrode is immersed in the solution, the metal surface and the solution are electrically charged at the interface between the metal and the solution. That is, when charges are collected on the surface of the metal, the charge opposite to the metal surface is collected at the interface even at the solution side. For this reason, there is an electric double layer on the metal surface, and in the electric double layer near the electrode, there is a space charge because the positive charge and the negative charge are separated.
전극의 최소 간극은 이러한 전기이중층의 최소간극으로 볼 수 있다. The minimum gap of the electrode can be regarded as the minimum gap of this electric double layer.
디바이 휘켈(Debye-Huckel)이론에서 전기이중층의 두께는 디바이길이(Debye length)로 표시할 수 있고, 이러한 디바이길이를 살펴보면 이온세기가 1일 때 디바이길이는 0.3nm정도이다. 일반적으로는 이온세기가 0.1 이 되는 대략 외부 홀무르쯔면(OHP)까지의 거리가 될 것이고 홀무르쯔층(Helmholtz layer)의 두께인 1nm정도가 전극의 최소간극이라고 할 것이다. In the Debye-Huckel theory, the thickness of an electric double layer can be denoted by Debye length. When we look at this divide, the divide is about 0.3 nm when the ionic strength is 1. In general, it will be a distance to approximately the outer hole MURSU surface (OHP) with an ionic strength of 0.1 and a thickness of about 1 nm, which is the thickness of the Helmholtz layer, is the minimum gap of the electrode.
한편, 전극간극의 최대값은 확산층의 크기에서 찾을 수 있고, 확산층의 크기는 극미세전극의 이론에서 찾을 수 있다.On the other hand, the maximum value of the electrode gap can be found in the size of the diffusion layer, and the size of the diffusion layer can be found in the theory of the microelectrode.
전극의 크기가 전기분해하는 동안에 생기는 확산층의 크기와 비교할 만한 수준이면 극미세전극(ultramicroelectrodes)이라고 한다. 극미세전극은 저항에 의한 전압강하가 작아서 저항이 큰 용액이나 전해질을 넣지 않은 용액에서도 전기화학측정을 가능하게 한다고 하였다. 따라서, 이러한 이유로 미세극간의 크기도 확산층의 크기 이하여야 할 것이다. It is called ultramicroelectrodes when the size of the electrode is comparable to the size of the diffusion layer during electrolysis. The microelectrodes allow for electrochemical measurements even in solutions with a high resistance or without an electrolyte because the voltage drop due to the resistance is small. Therefore, for this reason, the size between the fine poles should be smaller than the size of the diffusion layer.
본 발명의 실시예에서는, 극미세전극의 크기를 구하기 위해서는 구형확산법칙으로부터 도출된 하기의 [수학식 1] 인 코트렐(Cottrell)식을 이용할 수 있다.In the embodiment of the present invention, a Cottrell equation derived from the spherical diffusion law and expressed by the following equation (1) can be used to determine the size of the electrode.
극미세 전극에서는 전해시간에 무관한 정류상태의 전류가 늘 관측되는데 이런 정류상태에 도달하려면 그 조건은 위 식에서 정류상태에 도달하는 조건인 10/(πDt)ㅍ ≤ 1/r 즉, (Dt)ㅍ /r ≥ 5.6 의 조건이 성립한다. 여기서, D는 확산계수이고, r는 전극의 반지름이다. In a very fine electrode of a steady state regardless of the electrolysis current time there is always observed to reach such a steady state condition that is 10 / (πDt) ㅍ ≤ 1 / r condition to reach the above equation, the steady state That is, (Dt) ㅍ / r ≥ 5.6 is satisfied. Where D is the diffusion coefficient and r is the radius of the electrode.
여기서 구한 극미세 전극의 크기는 약 4마이크로미터 정도라고 하였다. The size of the electrode was about 4 micrometers.
코트렐 식에서 δ는 확산층의 크기이다. 확산층의 크기가 극미세전극의 반지름보다 같거나 커야하는데 일반적인 확산계수(5x10-6 ㎠/s)를 고려할 때, 극미세전극 크기를 계산한 조건을 이용하면 확산층의 크기는 40마이크로미터 정도로 계산될 수 있다.In the Coctrel equation, delta is the size of the diffusion layer. Considering the general diffusion coefficient (5 × 10 -6 ㎠ / s) that the size of the diffusion layer should be equal to or greater than the radius of the electrode, the size of the diffusion layer is calculated to be about 40 micrometers .
따라서, 전극간극의 최대값은 극미세전극 확산층의 크기인 40마이크로미터로 볼 수 있으며, 결론적으로, 본 발명의 실시예에서 전극간극은 1나노미터이상에서 40마이크로미터이하의 크기이다.Therefore, the maximum value of the electrode gap can be regarded as 40 micrometers, which is the size of the electrode micro diffusion layer. As a result, the electrode gap in the embodiment of the present invention is not less than 1 nanometer and not more than 40 micrometers.
하기의 [표 1]은 1A 전류를 비전도성용액에 인가하는 실험에서 전해질 없이 전기화학반응이 일어나는 극미세 간극을 나타내는 실험결과이다.The following Table 1 shows experimental results showing the micro-gap in which an electrochemical reaction occurs without an electrolyte in an experiment in which 1A current is applied to a nonconductive solution.
상기의 [표 1]에 나타나는 바와 같이, 본 발명의 실시예에서, 상기 극미세 간극(100)은 78 나노미터(㎚) ~ 20.28 마이크로미터(㎛)인 것이 바람직하다.As shown in Table 1 above, in the embodiment of the present invention, it is preferable that the
이와 같이, 본 발명은, 전기화학반응장치에 사용되는 한 쌍의 전극 사이에 배치되는 복수개의 전극이 형성하는 적어도 하나 이상의 극미세 간극에 의하여 비전도성용액에 전류를 통하게 할 수 있다.As described above, according to the present invention, a current can flow through a nonconductive solution by at least one extremely fine gap formed by a plurality of electrodes disposed between a pair of electrodes used in an electrochemical reaction apparatus.
뿐만 아니라, 본 발명은 상술한 극미세 간극에 의하여 비전도성 용액에 전류를 통하게 하기 때문에 전도성 용액에 적용할 경우에도 전도성을 높일 수 있으며, 이에 대한 설명은 도 16에서 후술하기로 한다.In addition, since the present invention allows current to flow through the non-conductive solution by the above-mentioned extremely fine gap, the conductivity can be increased even when applied to a conductive solution, and a description thereof will be described later with reference to FIG.
도 8은 종래기술에 의하여 순수를 이용한 염화나트륨(GR급, 순도99.5%) 전해질용액의 전류에 따른 전압변화 실험결과를 나타내는 도면이고, 도 9는 종래기술에 의하여 순수를 이용한 황산나트륨(EP급, 순도99%) 전해질용액의 전류에 따른 전압변화 실험결과를 나타내는 도면이다.FIG. 8 is a graph showing the results of a voltage change experiment according to the current of a sodium chloride (GR grade, purity 99.5%) electrolyte solution using pure water according to the prior art. FIG. 99%) of the electrolyte solution.
종래기술에 따르면 순수는 전기가 거의 통하지 않는 비전도성용액이므로 전해질을 첨가해야 전류를 통하게 할 수 있다. 따라서, 종래기술에 따른 전기화학반응을 하는 경우에는 순수에 염화나트륨과 황산나트륨을 첨가하여 실험할 수 있으며, 전기분해과정은 기포가 발생하는 것으로 확인할 수 있다.According to the prior art, since pure water is a nonconductive solution in which electricity hardly flows, it is necessary to add an electrolyte to pass current. Therefore, when the electrochemical reaction according to the prior art is performed, sodium chloride and sodium sulfate can be added to pure water, and it can be confirmed that bubbles are generated in the electrolysis process.
이때, 종래기술에 따른 실시예에서, 전극의 양극은 백금 또는 이리듐계 재질로 형성하였으며, 음극은 티타늄재질로 형성할 수 있다.At this time, in the embodiment according to the related art, the anode of the electrode is made of platinum or iridium-based material, and the cathode is made of titanium.
종래기술에 따른 첫번째 실험에서는 염화나트륨(NaCl, GR급, 순도99.5%)을 전해질로 사용하였으며 첨가량은 1,000ppm ~ 9,000ppm 으로 전해질 농도를 변화하였다.In the first experiment according to the prior art, sodium chloride (NaCl, GR grade, purity 99.5%) was used as the electrolyte and the electrolyte concentration was changed from 1,000 ppm to 9,000 ppm.
도 8에 도시된 바와 같이, 염화나트륨을 전해질로 사용한 실시예에서 전해질 농도를 증가시키면 전류가 더 잘 통하기 때문에 전압이 낮아진 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 8, in the embodiment using sodium chloride as an electrolyte, it can be seen that increasing the electrolyte concentration results in a lower voltage since the current is better.
이때, 전해질용액에 인가되는 전류를 상승시키면 전압도 증가할 수 있다.At this time, if the current applied to the electrolyte solution is increased, the voltage may also increase.
종래기술에 따른 두번째 실험에서는 황산나트륨(Na2SO4, EP급, 순도99%)을 전해질로 사용하였으며 첨가량은 1,000ppm ~ 8,000ppm 으로 전해질 농도를 변화하였다.In the second experiment according to the prior art, sodium sulfate (Na 2 SO 4, EP grade, 99% purity) was used as the electrolyte and the electrolyte concentration was changed from 1,000 ppm to 8,000 ppm.
도 9에 도시된 바와 같이, 황산나트륨을 전해질로 사용한 실시예에서도 첫번째 실험과 마찬가지로 전해질 농도를 증가시키면 전류가 더 잘 통하기 때문에 전압이 낮아진 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 9, in the embodiment using sodium sulfate as the electrolyte, the voltage is lowered because the current flows more easily when the electrolyte concentration is increased, as in the first experiment.
이때, 염화나트륨을 전해질로 사용하는 것과 마찬가지로 황산나트륨을 전해질로 사용하는 경우에도 전해질용액에 인가되는 전류를 상승시키면 전압도 증가할 수 있다.In this case, as in the case of using sodium chloride as the electrolyte, when the sodium sulfate is used as the electrolyte, the voltage may also increase if the current applied to the electrolyte solution is increased.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 순수를 이용한 비전도성용액에 무전해질 전극을 적용하여 전류에 따른 전압변화 실험결과를 나타내는 도면이다.10 is a graph showing the results of a voltage change experiment according to an electric current by applying a non-electrolytic electrode to a non-conductive solution using purified water according to an embodiment of the present invention.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극은 도면참조부호 A,B 두가지 조건으로 실험하였으며, 이번 실험에서도 순수가 전기분해되는 것은 기포가 발생하는 것으로 확인할 수 있다.As shown in the drawing, the non-electrolytic electrode according to the embodiment of the present invention was tested under two conditions of reference A and B, and it can be confirmed that the electrolysis of the pure water in this experiment also generates bubbles.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극을 사용한 경우에도 전해질 용액에서 전기분해한 것 처럼 용액에 인가되는 전류를 상승시키면 전압도 증가함을 알 수 있다.As shown in FIG. 10, even when the non-electrolytic electrode according to the embodiment of the present invention is used, the voltage is increased when the current applied to the solution is increased as in the case of electrolysis in the electrolyte solution.
이와 같은 실험결과를 바탕으로 종래기술과 본 발명을 비교 설명하면 다음과 같다.Based on these experimental results, the conventional technology and the present invention will be described as follows.
도 11은 종래기술과 본 발명에 따른 무전해질 전극을 사용한 전해질량을 비교하여 나타내는 도면이다.FIG. 11 is a view showing a comparison between the electrolytic masses using the non-electrolytic electrode according to the prior art and the present invention.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극에 1A의 전류를 인가하였을 때를 기준으로 종래기술의 전해질용액에 포함된 전해질량을 비교할 수 있다.As shown in the figure, the amount of electrolyte contained in the electrolyte solution of the prior art can be compared based on the application of the current of 1A to the non-electrolytic electrode according to the embodiment of the present invention.
여기서, 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극은 종래기술에 따른 전해질량과 비교하였을 때 5,000 ~ 8000ppm 정도에 해당되는 것을 알 수 있으며, 결과적으로 전해질용액을 사용하지 않더라도 본 발명에 따른 무전해질 전극구조를 적용할 경우에 전기분해와 같은 전기화학반응을 할 수 있음을 나타내고 있다.It can be seen that the non-electrolytic electrode according to the embodiment of the present invention corresponds to about 5,000 to 8000 ppm as compared with the electrolytic mass according to the prior art. As a result, even if the electrolytic solution is not used, It is shown that an electrochemical reaction such as electrolysis can be performed when the structure is applied.
도 12는 본 발명과 종래기술의 COD제거실험에 의한 효율을 비교하는 도면이다.FIG. 12 is a graph comparing the efficiencies of the present invention and the conventional COD elimination experiment.
도면에 도시된 바와 같이, 난분해성 COD(Chemical Oxygen Demand ; 화학적산소요구량)물질을 제거하는 실험을 통하여 기존 전해질 전극과 본 발명에 따른 무전해질 전극의 전해산화 효율을 비교하였다.As shown in the figure, the electrolytic oxidation efficiencies of the conventional electrolyte electrode and the non-electrolytic electrode according to the present invention were compared through an experiment to remove the refractory COD (Chemical Oxygen Demand) material.
도면에 도시된 바와 같이, 원수의 COD는 약 1,400ppm 이었다.As shown in the figure, the COD of the raw water was about 1,400 ppm.
본 실험에서는 전류를 인가한 시간에 대비하여 COD농도를 측정하였다.In this experiment, the COD concentration was measured against the current application time.
시료로 사용한 원폐수의 전도도가 낮아서 전기가 잘 통하지 않으므로 기존의 전해질 전극방식은 5,000ppm의 황산나트륨(Na2SO4, EP급, 순도99%)을 전해질로 첨가하였고, 도 12의 도면참조부호 A,D는 본 발명의 실시예가 적용된 무전해질 전극을 적용한 실험으로 전해질을 전혀 사용하지 않았다.As the conductivity of the raw wastewater used as the sample is low, electricity can not easily flow. Therefore, in the conventional electrolyte electrode method, sodium sulfate (Na 2 SO 4, EP grade, purity 99%) of 5,000 ppm was added as an electrolyte, And D is an experiment in which the non-electrolytic electrode to which the embodiment of the present invention is applied was used, and no electrolyte was used at all.
전극면적은 A는 기존 전해질 전극과 동일한 크기이고, D는 A의 60% 정도의 크기로 작게 하였다.The electrode area A is the same size as the conventional electrolyte electrode, and D is about 60% of A.
도면에 도시된 바와 같이, 동일전극면적을 기준으로 전해질 전극과 무전해질 전극 방식을 비교하면 효율이 기존전극에 비해 약 3배 정도 우수한 것을 알 수 있다.As shown in the figure, it can be seen that the efficiency is about three times as high as that of the conventional electrode when the electrolyte electrode is compared with the non-electrolyte electrode method based on the same electrode area.
도 13 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극의 전류농도와 전류밀도에 따른 전압변화를 나타내는 도면이다.13 to 14 are graphs showing voltage changes according to current density and current density of the non-electrolytic electrode according to the embodiment of the present invention.
도면에 도시된 바와 같이, 도 13은 용액에 가해질 수 있는 한계 전류농도(A/L, Ampere Per Liter)를 알기 위해 A/L에 따른 전압변화를 나타내고 있으며, 전류농도값을 증가시킴에 따라 전압이 상승하는 것을 알 수 있다.As shown in the figure, FIG. 13 shows a voltage change according to A / L in order to find a limit current density (A / L, Ampere Per Liter) that can be applied to a solution. As shown in FIG.
또한, 30 A/L을 넘어서자 전압값이 급속히 상승하기 시작하므로 전류농도는 30A/L 이하에서 적용하는 것이 바람직함을 알 수 있다.In addition, since the self-voltage value starts to rise rapidly beyond 30 A / L, it is preferable to apply the current density below 30 A / L.
도 14는 전극에 가해질 수 있는 한계 전류밀도(ASD, Ampere Per Square Deci-Metre)를 알기 위해 전류밀도(ASD)에 따른 전압변화를 나타내고 있으며, 전류밀도값을 증가시키는 경우에 전압이 상승하는 것을 알 수 있다.FIG. 14 shows a voltage change according to the current density ASD in order to determine an ASD (Ampere Per Square Deci-Meter) that can be applied to an electrode. It is known that the voltage increases when the current density value is increased Able to know.
본 발명의 실시예에서, 32 ASD를 넘어서자 전압값이 급속히 상승하기 시작하는 것을 알 수 있으며, 따라서, 본 발명의 실시예에서 무전해질 전극구조가 적용될 경우에 전류밀도는 32 ASD 이하인 것이 바람직 한 것을 알 수 있다.In the embodiment of the present invention, it can be seen that the self-voltage value starts to rise rapidly beyond 32 ASD, and therefore, when the non-electrolytic electrode structure is applied in the embodiment of the present invention, the current density is preferably 32 ASD or less .
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극구조를 적용하였을 때 다수의 비전도성용액에 대한 전압값의 실험결과를 나타내는 도면이다.15 is a graph showing experimental results of voltage values for a plurality of nonconductive solutions when the non-electrolytic electrode structure according to an embodiment of the present invention is applied.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 적용한 비전도성 용액은, 증류수, 무수에탄올, n옥탄올, 실리콘오일이다.As shown in the figure, the nonconductive solution applied to the embodiment of the present invention is distilled water, anhydrous ethanol, n-octanol, silicone oil.
본 발명의 실시예에서는, 무전해질 전극구조를 적용하였을 때 모두 기포가 발생하여 전기분해가 되고 있음을 실험결과로 알 수 있으며, 도면에 도시된 바와 같이 전압값은 증류수, 무수에탄올, n옥탄올, 실리콘오일 순으로 높아지는 것을 알 수 있다.In the embodiment of the present invention, bubbles are generated when the non-electrolytic electrode structure is applied. As a result, it can be known from experiments that the electrolysis is performed. As shown in the figure, , And silicone oil, respectively.
실험결과로 본 발명에 따른 무전해질 전극구조에 의해 전해질 첨가가 불가능한 비전도성용액도 전기분해가 가능함을 알 수 있으며, 한편, 비전도성 용액에 따라 서로 다른 전기분해 전압을 가지고 있기 때문에 혼합액체에서 특정성분만을 분해할 수 있음을 알 수 있다.As a result of the experiment, it was found that the addition of the electrolyte by the non-electrolytic electrode structure according to the present invention It can be seen that the non-conductive solution can be electrolyzed. On the other hand, since it has different electrolysis voltage depending on the non-conductive solution, it can be understood that only a specific component can be decomposed in the mixed liquid.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따라 전해질을 첨가한 전도성용액에 대하여 무전해질 전극구조를 적용하였을 때와 기존전극을 적용하였을 때의 전압변화를 나타내는 도면이다.16 is a graph showing voltage changes when a non-electrolytic electrode structure is applied to a conductive solution to which an electrolyte is added according to another embodiment of the present invention, and when a conventional electrode is applied.
도면에 도시된 바와 같이, 도 16에서는 기존전극과 무전해질 전극에 대하여 전해질 첨가시 어떤 변화가 일어나는지 살펴보았다. 전해질은 시약 EP급 순도99%의 염화나트륨(NaCl)을 사용하였고, 순수에 염화나트륨 함량을 증가시켜 가면서 용액에 걸리는 전압의 변화를 관찰하였다. As shown in the figure, in FIG. 16, a change in the addition of the electrolyte to the conventional electrode and the non-electrolytic electrode was examined. Electrolyte was prepared by using sodium chloride (NaCl) having a purity of EP grade of 99%, and the change in voltage applied to the solution was observed while increasing the sodium chloride content in pure water.
본 발명의 실시예에서는, 전해질 첨가에 대하여 전압변화를 살펴본 결과, 기존전극은 전해질 첨가에 따라 전압이 계속 감소하다가 10,000ppm이후 일정하게 유지되었고, 무전해질 전극은 4,000ppm까지는 약간 감소하다가 그 뒤로는 일정한 값으로 유지됨을 보였다. 전압값이 무전해질 전극에서 더욱 낮은 값을 보이므로 본 발명의 실시예에 따른 무전해질 전극은 전도성 용액에서 전도성을 높일 수 있다.In the embodiment of the present invention, as a result of examining the voltage change with respect to the addition of the electrolyte, the voltage of the conventional electrode was continuously decreased according to the addition of the electrolyte, and was maintained constant after 10,000 ppm. The amount of the non-electrolytic electrode was slightly decreased to 4,000 ppm, Value. Since the voltage value shows a lower value at the non-electrolytic electrode, the non-electrolytic electrode according to the embodiment of the present invention can increase the conductivity in the conductive solution.
상기와 같이, 본 발명은, 양극과 음극으로 이루어지며 전기화학반응장치에 사용되는 한 쌍의 전극판 사이에 상호 간에 서로 수십 마이크로미터 이하의 극미세 간극을 가지도록 인접하게 형성되는 복수개의 전극을 배치하여 전해질 없이도 비전도성 용액의 전기분해와 전해산화를 포함하는 전기화학반응을 유발시킬 수 있는 비전도성용액의 전기화학반응이 가능한 무전해질 전극구조를 제공하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, a plurality of electrodes formed of a positive electrode and a negative electrode and formed adjacent to one another between a pair of electrode plates used in an electrochemical reaction device so as to have a very fine gap of several tens of micrometers or less Electrolytic solution of the nonconductive solution and electrochemical reaction including electrolysis of the electrolytic solution without the use of an electrolytic solution, thereby providing a non-electrolytic electrode structure capable of electrochemical reaction of the non-conductive solution.
또한, 본 발명은, 비전도성용액에 전해질을 첨가하지 않더라도 전기화학반응을 일으킬 수 있기 때문에 먹는물 정수, 지하수 정화 및 폐수처리와 같은 수처리 사업에 적용할 수 있는 효과가 있다.Further, since the present invention can cause an electrochemical reaction even when an electrolyte is not added to a nonconductive solution, the present invention can be applied to a water treatment business such as drinking water purification, groundwater purification, and wastewater treatment.
또한, 본 발명은, 전해질 첨가가 어려운 종래의 비전도성 용액에서도 전기화학반응을 일으킬 수 있는 효과가 있다.Further, the present invention has an effect of causing an electrochemical reaction even in a conventional nonconductive solution which is difficult to add an electrolyte.
또한, 본 발명은, 전기화학반응장치에 사용되는 한 쌍의 전극 사이에 배치되는 복수개의 전극이 형성하는 적어도 하나 이상의 극미세 간극에 의하여 전도성용액의 전도성을 더욱 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention has the effect of further increasing the conductivity of the conductive solution by at least one extremely fine gap formed by a plurality of electrodes disposed between a pair of electrodes used in the electrochemical reaction apparatus.
지금까지 본 발명에 대해서 상세히 설명하였으나, 그 과정에서 언급한 실시예는 예시적인 것일 뿐이며, 한정적인 것이 아님을 분명히 하고, 본 발명은 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상이나 분야를 벗어나지 않는 범위내에서, 균등하게 대처될 수 있는 정도의 구성요소 변경은 본 발명의 범위에 속한다 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, It is within the scope of the present invention that component changes to such an extent that they can be coped evenly within a range that does not deviate from the scope of the present invention.
1 : 무전해질 전극
10 : 상부전극판
20 : 하부전극판
30 : 전도성 전극
40 : 보호커버
100 : 극미세 간극1: Electrolytic electrode
10: upper electrode plate
20: Lower electrode plate
30: Conductive electrode
40: protective cover
100: Extremely fine clearance
Claims (19)
상기 한 쌍의 전극 사이에서 상호 간에 서로 극미세 간극을 가지도록 인접하게 형성되는 복수개의 전도성 전극;을 구비하고,
상기 극미세 간극은,
적어도 하나 이상 형성되며, 1 나노미터(nm) 이상 40 마이크로미터(㎛) 이하인 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
A pair of electrodes to which an anode and a cathode are respectively applied; And
And a plurality of conductive electrodes formed adjacent to each other between the pair of electrodes so as to have a very fine gap therebetween,
The ultra-
Electrolyte electrode structure for an electrochemical reaction which does not require an electrolyte, characterized by having at least one or more than one nanometer (nm) and not more than 40 micrometer (占 퐉)
상기 복수개의 전도성 전극을 보호하기 위한 보호커버를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
The method according to claim 1,
And a protective cover for protecting the plurality of conductive electrodes. The non-electrolytic electrode structure for electrochemical reactions
상기 양극과 음극이 인가되는 한 쌍의 전극에 인접하여 배치될 경우에는 전도성을 갖는 재질로 형성되며,
상기 한 쌍의 전극이 배치되지 않은 부위에서 상기 복수개의 전도성 전극을 커버하는 경우에는 비전도성재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
4. The protective cover according to claim 3,
When the anode and the cathode are disposed adjacent to a pair of electrodes to which the anode and the cathode are applied,
Wherein the electrode is formed of a nonconductive material when the plurality of conductive electrodes are covered at a portion where the pair of electrodes are not disposed.
상기 한 쌍의 전극은 각각 외측으로 배치되고, 상기 복수개의 전도성 전극은 내측에 배치되며,
전체적으로 간극구조를 가지며 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
The method according to claim 1,
Wherein the pair of electrodes are disposed on the outer side, the plurality of conductive electrodes are disposed on the inner side,
Wherein the non-electrolytic electrode structure for an electrochemical reaction is formed on the entire surface of the non-electrolytic electrode structure.
상기 한 쌍의 전극은 봉형상의 중심전극을 원통형의 외부전극이 둘러싸는 형태로 배치되고,
상기 복수개의 전도성 전극은 상기 중심전극을 기준으로 동심원을 가지며 서로 다른 크기의 지름을 갖는 복수개의 원통형 전극이 순차적으로 배치되는 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
The method according to claim 1,
Wherein the pair of electrodes are arranged in such a manner that a cylindrical outer electrode surrounds the bar-shaped center electrode,
Wherein the plurality of conductive electrodes are formed in a structure in which a plurality of cylindrical electrodes having concentric circles with respect to the center electrode and having diameters of different sizes are sequentially disposed. The non-electrolytic electrode for electrochemical reaction rescue
가느다란 모발이나 실형태의 전극체가 상하좌우로 배열되고 인접한 전극 사이에 미세기공을 구비하는 다공질 전극체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
The method according to claim 5 or 6, wherein the plurality of conductive electrodes comprise:
Characterized in that the electrode body is made of a porous electrode body having fine pores and / or threadlike electrode bodies arranged vertically and horizontally and having fine pores between adjacent electrodes.
메쉬망형태의 면을 갖는 전극체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
[7] The method according to claim 5 or 6,
Wherein the non-electrolytic electrode structure for electrochemical reactions is formed of an electrode body having a mesh-like surface.
타공형태의 면을 갖는 전극체로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
[7] The method according to claim 5 or 6,
Wherein the electrolyte is formed of an electrode body having a perforated shape.
일측은 난용/불용성 금속재질의 양극 전극으로 형성되고, 타측은 전도성 금속재질의 음극 전극으로 형성되며,
인접하게 배치되는 복수개의 전도성 전극에 각각 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
The plasma display panel of claim 1,
One side is formed of a cathode electrode made of a refractory / insoluble metal material, and the other side is formed of a cathode electrode made of a conductive metal material,
And a plurality of electrically conductive electrodes disposed adjacent to each other, and electrically connected to the plurality of electrically conductive electrodes disposed adjacent to each other.
금, 탄소, 은, 백금계, 이리듐계, 루테늄계, 팔라듐계, 티타늄계 재질 중 어느 하나이거나 이들의 혼합 재질인 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
[10] The method of claim 10, wherein the light /
Wherein the non-electrolytic electrode structure for electrochemical reactions, which does not require an electrolyte, is made of any one of gold, carbon, silver, platinum, iridium, ruthenium, palladium and titanium
금, 탄소, 은, 백금계, 이리듐계, 루테늄계, 팔라듐계, 티타늄계, 스텐레스 스틸, 니켈, 알루미늄, 구리, 철, 주석, 크롬, 납, 아연 재질 중 어느 하나이거나 이들의 혼합 재질인 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
[Claim 11] The method of claim 10, wherein the conductive metal material,
Or a mixture of any one of gold, carbon, silver, platinum, iridium, ruthenium, palladium, titanium, stainless steel, nickel, aluminum, copper, iron, tin, Electrolytic electrode structure for electrochemical reaction that does not require electrolyte
인가되는 전류밀도 값이 0 초과 32 ASD(Ampere Per Square Deci-Metre) 이하인 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
The plasma display panel according to claim 1, wherein the pair of electrodes and the plurality of conductive electrodes comprise:
Wherein the applied current density value is less than 32 ASD (Ampere Per Square Deci-Meter).
상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되는 복수개의 전극이 형성하는 적어도 하나 이상의 극미세 간극에 의하여 비전도성용액에 전류가 통하는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
The method according to claim 1,
Wherein at least one of the plurality of electrodes disposed between the pair of electrodes forms an electric current through the at least one extremely fine gap, so that an electric current flows through the non-conductive solution.
상기 비전도성용액이 혼합액체일 경우에 서로 다른 크기의 전압을 인가하여 혼합액체에서 특정성분만을 분해할 수 있는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
15. The method of claim 14,
Wherein the non-conductive solution is a mixed liquid, and when the non-conductive solution is a mixed liquid, voltages of different magnitudes are applied to decompose only specific components in the mixed liquid.
인가되는 전류농도가 0 초과 30 A/L(Ampere Per Liter)이하인 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
15. The method of claim 14, wherein the non-
Wherein the applied current density is not less than 30 A / L (Ampere Per Liter).
난용/불용성 금속재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
The plasma display apparatus according to claim 1,
Electrolyte-free electrode structure for an electrochemical reaction, which is formed of a refractory / insoluble metal material.
금, 탄소, 은, 백금계, 이리듐계, 루테늄계, 팔라듐계, 티타늄계 재질 중 어느 하나이거나 이들의 혼합 재질 인것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
18. The method of claim 17, wherein the refractory /
Wherein the non-electrolytic electrode structure for electrochemical reactions, which does not require an electrolyte, is made of any one of gold, carbon, silver, platinum, iridium, ruthenium, palladium and titanium
상기 한 쌍의 전극 사이에 배치되는 복수개의 전극이 형성하는 적어도 하나 이상의 극미세 간극에 의하여 전도성용액의 전도성을 높일 수 있는 것을 특징으로 하는 전해질이 필요없는 전기화학반응용 무전해질 전극구조
The method according to claim 1,
Wherein at least one of the plurality of electrodes disposed between the pair of electrodes is capable of increasing the conductivity of the conductive solution by at least one or more microscopic gaps formed between the pair of electrodes.
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| KR20200019482A (en) * | 2018-08-14 | 2020-02-24 | 신창훈 | Electrolyteless electrode |
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| KR200276721Y1 (en) | 2002-03-04 | 2002-05-25 | 조통래 | Solid Polymer Electrolyte film |
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