KR102292325B1 - Gas diffusion reactor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 광반응과 기체확산을 활용한 기체확산반응기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 반응속도와 효율을 높인 기체확산반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a gas diffusion reactor utilizing light reaction and gas diffusion. More specifically, it relates to a gas diffusion reactor with increased reaction rate and efficiency.
이산화탄소를 저감하거나 공기 오염물질을 제거하는 기술이 꾸준히 개발되어 왔다. Techniques for reducing carbon dioxide or removing air pollutants have been continuously developed.
이들 물질을 제거하는 방법은 이들을 포집하거나 화학반응을 통해 다른 물질로 변화시키는 방법이 제시되었다.Methods for removing these substances include collecting them or changing them into other substances through chemical reactions.
이 중 화학반응을 통해 다른 물질로 변화시키는 방법으로 대표적인 것으로 두 가지 방법이 있다.Among these, there are two typical methods for changing into another substance through a chemical reaction.
첫 번째 방법은 환원 반응의 속도 및 반응성을 향상시키기 위하여 전기화학 반응 셀을 만들어 적용하는 것이다. 전기화학 반응 셀은 기체확산층, 촉매층, 고분자 전해질 막으로 이루어지며, 이산화탄소와 촉매의 반응면적을 넓혀 이산화탄소 환원반응을 향상시키도록 구성된다.The first method is to make and apply an electrochemical reaction cell to improve the rate and reactivity of the reduction reaction. The electrochemical reaction cell is composed of a gas diffusion layer, a catalyst layer, and a polymer electrolyte membrane, and is configured to improve the carbon dioxide reduction reaction by increasing the reaction area between carbon dioxide and the catalyst.
두번째 방법은 광촉매 기상반응기를 적용하는 것이다. 광촉매 기상반응기는 빛 조사부, 촉매, 기체확산부, 기체순환부, 밀폐부로 이루어지며, 빛 조사부를 통해 밀폐부에 빛을 인가하여 특정 기체 조성에서 광촉매 반응을 모니터링 할 수 있도록 구성된다.The second method is to apply a photocatalytic vapor phase reactor. The photocatalytic gas phase reactor consists of a light irradiation part, a catalyst, a gas diffusion part, a gas circulation part, and a sealing part, and is configured to monitor the photocatalytic reaction in a specific gas composition by applying light to the sealed part through the light irradiation part.
기존의 전기화학 반응 셀은 이산화탄소의 환원반응을 타겟팅한 반응기로 빛의 인가가 필수적인 광전기화학 반응을 적용하는 것이 구조적으로 불가능하며, 또한 대상 기체의 농도를 효율적으로 모니터링하기 위한 시스템이 구축되기 어렵다.The conventional electrochemical reaction cell is a reactor that targets the reduction reaction of carbon dioxide, and it is structurally impossible to apply a photoelectrochemical reaction that requires the application of light, and it is also difficult to construct a system for efficiently monitoring the concentration of the target gas.
한편, 광촉매 기상반응기는 전기 인가가 불가능해 광전기 화학반응을 접목하는 데에 구조적 한계가 있다.On the other hand, the photocatalytic vapor phase reactor has a structural limitation in grafting photoelectrochemical reaction because it is impossible to apply electricity.
따라서, 광촉매로 반응 속도를 향상시키면서 전기화학 반응을 일으키기 위해서는 구조 및 장치의 혁신적인 개발이 필요하다.Therefore, in order to cause an electrochemical reaction while improving the reaction rate with a photocatalyst, innovative development of structures and devices is required.
본 발명은 이산화탄소 분해 또는 공기 오염물질 제거 반응기에 있어서, 광반응 및 전기반응을 동시에 활용하는 기체확산반응기를 제공한다.The present invention provides a gas diffusion reactor that simultaneously utilizes a photoreaction and an electric reaction in a carbon dioxide decomposition or air pollutant removal reactor.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기는 가스가 들어가는 흡기구 및 배기구가 구비된 가스파츠, 전력을 인가하여 상기 가스를 분해하는 전극장착파츠, 상기 가스파츠와 상기 전극장착파츠를 분리하며 기체가 투과되는 기체확산전극 및 상기 전극장착파츠와 체결되어 상기 전극장착파츠 내에 밀폐된 공간을 형성하며, 상기 기체확산전극에 빛이 조사될 수 있도록, 광투과성 윈도우를 구비한 광투과파츠를 포함한다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, the gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention includes a gas part equipped with an inlet and an exhaust port into which gas enters, an electrode mounting part for decomposing the gas by applying electric power, and the A gas diffusion electrode that separates the gas part and the electrode mounting part, through which gas passes, and the electrode mounting part are fastened to form a closed space within the electrode mounting part, and light can be irradiated to the gas diffusion electrode. Includes light-transmitting parts having a transparent window.
상기 가스파츠는, 상기 흡기구를 2 이상 구비하고, 상기 흡기구 중 하나 이상은 상기 배기구로 배출된 가스를 다시 주입할 수 있다.The gas part may include two or more inlet ports, and at least one of the inlet ports may re-inject the gas discharged to the exhaust port.
상기 배기구에서 배출된 가스를 가압하여 상기 흡기구 중 하나 이상에 다시 주입하는 펌프를 더 포함할 수 있다.It may further include a pump that pressurizes the gas discharged from the exhaust port and injects it back into one or more of the intake ports.
상기 배기구는 가스분석장치와 연결될 수 있다.The exhaust port may be connected to a gas analyzer.
상기 전극장착파츠는, 상대극을 구비할 수 있다.The electrode mounting parts may include a counter electrode.
상기 전극장착파츠는, 기준전극을 더 구비할 수 있다.The electrode mounting parts may further include a reference electrode.
상기 기체확산전극은 전도성이며 방수성일 수 있다.The gas diffusion electrode may be conductive and waterproof.
상기 기체확산전극은 평면 구조에서 윤곽을 이루는 커런트 콜랙터와 내부를 채우는 카본페이퍼를 포함할 수 있다.The gas diffusion electrode may include a current collector forming an outline in a planar structure and carbon paper filling the inside.
상기 기체확산전극은 미세공극구조층 및 조질공극구조층의 2중층으로 구성될 수 있다.The gas diffusion electrode may be composed of a double layer of a micropore structure layer and a coarse pore structure layer.
상기 기체확산전극은 상기 전극장착파츠에 인접하여 상기 미세공극구조층이 위치하고, 상기 가스파츠에 인접하여 상기 조질공극구조층이 접할 수 있다.In the gas diffusion electrode, the micropore structure layer may be positioned adjacent to the electrode mounting part, and the coarse pore structure layer may be adjacent to the gas part.
상기 기체확산전극의 면들 중 상기 광투과파츠에 인접한 면은 광촉매 코팅될 수 있다.Among the surfaces of the gas diffusion electrode, a surface adjacent to the light transmitting part may be coated with a photocatalyst.
상기 광촉매 코팅은 이산화티타늄, 삼산화텅스텐 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다.The photocatalytic coating may be made of any one or more of titanium dioxide and tungsten trioxide.
상기 광투과성 윈도우는 빛을 투과시키는 광학창, 상기 광학창을 상기 광투과 바디에 체결시키는 광학창 커버 및 상기 광학창과 상기 광투과 바디 사이를 밀봉하는 오링(O-ring)을 포함할 수 있다.The light-transmitting window may include an optical window for transmitting light, an optical window cover for coupling the optical window to the light-transmitting body, and an O-ring for sealing between the optical window and the light-transmitting body.
상기 광학창은 쿼츠 재질일 수 있다.The optical window may be made of a quartz material.
본 발명의 실시예에 따르면, 빛이 반응 면에 직접 조사되는 구조를 채택함으로써, 전기반응과 광반응의 효과를 동시에 얻을 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by adopting a structure in which light is directly irradiated to the reaction surface, the effect of the electrical reaction and the photoreaction can be obtained at the same time.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광반응의 편중을 최소화하면서 실시간으로 반응 정도를 측정할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the degree of reaction can be measured in real time while minimizing the bias of the photoreaction.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 구성을 나타낸 분해사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스파츠바디의 사시도고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스파츠가 가스 순환 시스템과 연결된 구조를 나타낸 단면도이다. 도 2c는 가스파츠의 정면도이고, 도 2d는 가스파츠의 후면도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극장착파츠의 사시도이고, 도 3b는 전극장착파츠와 기준전극의 연결구조를 나타낸 사시도이고, 도 3c는 전극장착파츠에 기체확산전극이 체결된 구조를 나타낸 사시도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산전극의 정면도이고, 도 4b는 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과파츠의 분해 사시도이고, 도 5b는 광투과파츠가 결합된 구조를 나타낸 사시도이고, 도 5c는 광투과파츠의 후방에서 바라본 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기의 정면도이고, 도 6b는 도 6a의 A절단선에 대한 측단면도이고, 도 6c는 기체확산반응기의 연결부를 제외한 정면도이고, 도 6d는 기체확산반응기의 측면도이고, 도 6e는 기체확산반응기의 후면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 체결 수단을 포함한 기체확산반응기의 분해사시도이다.1 is an exploded perspective view showing the overall configuration according to an embodiment of the present invention.
2A is a perspective view of a gas part body according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing a structure in which the gas parts are connected to a gas circulation system according to an embodiment of the present invention. 2C is a front view of the gas part, and FIG. 2D is a rear view of the gas part.
Figure 3a is a perspective view of the electrode mounting parts according to an embodiment of the present invention, Figure 3b is a perspective view showing the connection structure of the electrode mounting parts and the reference electrode, Figure 3c is a structure in which the gas diffusion electrode is fastened to the electrode mounting parts A perspective view is shown.
4A is a front view of a gas diffusion electrode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a cross-sectional view.
5A is an exploded perspective view of the light transmitting parts according to an embodiment of the present invention, FIG. 5B is a perspective view showing a structure in which the light transmitting parts are combined, and FIG. 5C is a perspective view seen from the rear of the light transmitting parts.
Figure 6a is a front view of the gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention, Figure 6b is a side cross-sectional view taken along the line A of Figure 6a, Figure 6c is a front view excluding the connection of the gas diffusion reactor, Figure 6d is a gas It is a side view of the diffusion reactor, and FIG. 6E is a rear view of the gas diffusion reactor.
7 is an exploded perspective view of a gas diffusion reactor including a fastening means according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement them. However, the present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
본 발명의 주된 특징은, 빛과 전력을 함께 사용하여 반응을 활성화하는 구조에 있다. 이를 강조하기 위해 기체와 전해질을 분리 수용하는 구조와 빛이 투과하여 화학반응 영역에 투사되는 구조, 기체가 전해질에 쉽게 용해될 수 있도록 하는 기체 순환 가압구조 및 분리막(기체확산전극) 구조를 중심으로 설명한다.The main feature of the present invention lies in a structure that activates a reaction by using both light and electric power. In order to emphasize this, we focus on the structure that separates the gas and the electrolyte, the structure through which light is transmitted to the chemical reaction area, the gas circulation pressurization structure that allows the gas to be easily dissolved in the electrolyte, and the separation membrane (gas diffusion electrode) structure. Explain.
본 발명은 판상 형태의 광투과파츠, 전극장착파츠, 가스파츠가 순서대로 겹쳐진 구조를 갖는다. 여기서 가스파츠 방향을 후면, 광투과파츠 방향을 정면이라 정의하여 설명한다.The present invention has a structure in which plate-shaped light-transmitting parts, electrode mounting parts, and gas parts are sequentially stacked. Here, the gas part direction is defined as the rear side and the light transmission part direction is defined as the front side.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 구성을 나타낸 분해사시도이다.1 is an exploded perspective view showing the overall configuration according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기는 흡기구 및 배기구가 구비된 가스파츠(110), 전력을 인가하여 가스를 분해하는 전극장착파츠(120), 가스파츠(110)와 전극장착파츠(120)를 분리하며 기체가 투과되는 기체확산전극(130) 및 전극장착파츠(120)와 체결되어 전극장착파츠(120) 내에 밀폐된 공간을 형성하며, 기체확산전극(130)에 빛이 조사될 수 있도록 광투과성 윈도우를 구비한 광투과파츠(140)를 포함한다.The gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention includes a
여기서 가스파츠(110)는 흡기구를 2 이상 구비하고, 흡기구 중 하나 이상은 배기구로 배출된 가스를 다시 주입할 수 있다. 가스를 재주입함으로써, 기체의 흐름을 높은 속도로 유지하여 내부 기체가 완전히 혼합된 상태를 유지할 수 있다.Here, the
배기구에서 배출된 가스를 가압하여 흡기구 중 하나 이상에 다시 주입하는 펌프가 더 구비될 수 있다. 후술하겠으나, 가스는 전해질로 투과해야 하므로 충분한 기압이 유지되어야 한다. 배기구에서 배출되는 가스의 양을 줄이면 기압을 높일 수 있으나, 내부의 가스가 정체되는 문제가 있다. 따라서, 배출되는 가스를 가압하여 재투입하는 방법으로 높은 압력을 유지하면서 기체의 흐름을 유지할 수 있다.A pump that pressurizes the gas discharged from the exhaust port and injects it back into one or more of the intake ports may be further provided. As will be described later, since the gas must permeate through the electrolyte, sufficient atmospheric pressure must be maintained. If the amount of gas discharged from the exhaust port is reduced, the atmospheric pressure can be increased, but there is a problem in that the gas inside is stagnant. Therefore, it is possible to maintain the flow of the gas while maintaining a high pressure by a method of re-injecting the discharged gas by pressurization.
배기구는 가스 분석장치와 연결될 수 있다. 기체확산반응기에서 기체의 반응 정도를 실시간으로 분석하여야 배출량을 결정할 수 있다. 배기구에서 배출되는 가스의 물성을 분석하여 배출 정도, 속도 등을 제어하는 정보로 활용할 수 있다.The exhaust port may be connected to the gas analyzer. Emissions can be determined only by analyzing the degree of gas reaction in real time in the gas diffusion reactor. By analyzing the physical properties of the gas discharged from the exhaust port, it can be used as information to control the degree and speed of the discharge.
전극장착파츠(120)는 상대전극을 구비할 수 있다. 또한, 전극장착파츠(120)는 기체반응기에 기전력을 인가하고, 발생한 전하를 외부로 방출할 수 있는 전극인 상대전극을 구비한다.The
전극장착파츠(120)는 기준전극을 더 구비할 수 있다. 기준전극에는 기체반응기에 적정 전압이 인가되었는지 여부를 확인하기 위한 구성이다. 전극장착파츠(120)에 대한 세부적인 설명은 도 3을 참조하여 후술한다.The
기체확산전극(130)은 전도성이며 방수성일 수 있다. 기체 확산 전극의 일면은 전극장착파츠(120) 및 후술할 광투과성 윈도우와 함께 전해질을 수용하는 공간을 만들고, 타면은 가스파츠(110)와 함께 가스를 수용하는 공간을 만든다. 따라서, 기체확산전극(130)은 액체 상태인 전해질과 기체를 구분하는 계면의 역할을 한다. 기체확산전극(130)은 액체와 기체의 유동을 막으므로 방수성으로 제작되는 것이 바람직하며, 기체확산전극(130)에서 반응이 쉽게 일어날 수 있도록 전력을 인가하는 역할을 하므로 전도성인 것이 바람직하다.The
기체확산전극(130)은 평면 구조에서 윤곽을 이루는 커런트 콜랙터와 윤곽의 안을 채우는 카본페이퍼로 구성될 수 있다. 커런트 콜랙터는 높은 전도성과 내구성을 갖는 구리 등의 소재로 구성될 수 있다.The
카본페이퍼는 가스확산층으로 사용될 수 있다면 어떠한 제품도 사용될 수 있다. Carbon paper can be any product as long as it can be used as a gas diffusion layer.
기체확산전극(130)은 미세공극을 가진 미세공극구조층과 조질공극구조층의 2중층으로 구성될 수 있다. 미세공극구조층 및 조질공극구조층은 모두 카본페이퍼로 제작될 수 있다.The
기체확산전극(130)의 일면은 전극장착파츠(120)에 접하고, 기체확산전극(130)의 타면은 가스파츠(110)에 접한다. 이중 미세공극구조층은 전극장착파츠(120)에 인접하여 구성되고 가스파츠(110)에 인접하여 조질공극구조층이 접하도록 구성될 수 있다.One surface of the
여기서 기체확산전극(130)의 면들 중 광투과파츠(140)에 인접한 면은 광촉매 코팅될 수 있다. 기체확산전극(130) 중 특히 전극장착파츠(120)에 인접한 미세공극구조층에 광촉매가 코팅될 수 있다.Here, among the surfaces of the
광촉매 코팅은 이산화티타늄 및 삼산화텅스텐 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. The photocatalytic coating may be made of any one or more of titanium dioxide and tungsten trioxide.
기체확산전극(130)에 대한 보다 세부적인 설명은 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.A more detailed description of the
광투과성 윈도우는 빛을 투과시키는 광학창, 광학창을 광투과파츠(140)에 체결시키는 광학창 커버 및 광학창과 광투과 바디를 밀봉하는 오링(O-ring)을 포함할 수 있다.The light-transmitting window may include an optical window that transmits light, an optical window cover that couples the optical window to the light-transmitting
광투과성 윈도우는 내부에 빛을 투과시키면서 내부의 전해질이 새는 것을 막는 역할을 한다.The light-transmitting window serves to prevent leakage of the electrolyte inside while transmitting light therein.
광학창은 쿼츠(Quartz) 재질일 수 있다. 광학창은 투명도가 높아야 하며, 내구성 및 내화성도 높아야 한다. 쿼츠는 이를 위하여 적합한 소재로서, 전해질과 직접 닿는 광학창을 쿼츠로 만들 수 있다.The optical window may be made of a quartz material. The optical window should have high transparency and high durability and fire resistance. Quartz is a suitable material for this purpose, and the optical window in direct contact with the electrolyte can be made of quartz.
광투과파츠(140)에 대한 세부적인 설명은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.A detailed description of the
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스파츠바디의 사시도고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스파츠가 가스 순환 시스템과 연결된 구조를 나타낸 단면도이다. 도 2c는 가스파츠의 정면도이고, 도 2d는 가스파츠의 후면도이다.2A is a perspective view of a gas part body according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a cross-sectional view showing a structure in which the gas parts are connected to a gas circulation system according to an embodiment of the present invention. 2C is a front view of the gas part, and FIG. 2D is a rear view of the gas part.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 가스파츠(110)는 가스를 내부에 가두는 공간을 구비한다. 또한, 가스파츠(110)는 가스파츠바디(210)와 다양한 가스 통기구들을 구비한다. 가스파츠바디(210)는 후면이 막히고, 전면이 뚫린 구조이며, 측면에 가스 통기구들을 구비한다. 가스파츠바디(210)의 전면은 도 1에서 설명한, 기체확산전극(130)에 의해 막혀서 공간을 이루며, 밀폐를 위하여 탄성 재질의 밀폐부재를 더 포함할 수 있다.Referring to FIGS. 2A and 2B , the
도 2b 및 도 2c를 참조하면, 가스파츠(110)는 전술한 가스파츠바디(210), 외부의 가스가 들어오는 제1흡기구(220), 배출되는 가스 중 성분이 측정되고 난 가스가 들어오는 측정흡기구(230), 가스가 나가는 제1배기구(240), 나갔던 가스가 다시 들어오는 제2흡기구(250)를 포함한다. Referring to FIGS. 2B and 2C , the
가스파츠(110)는 제1배기구(240) 및 제2흡기구(250)와 연결된 펌프(260)를 더 포함할 수 있으며, 제1배기구(240)는 제2배기구(270)와 추가로 연결될 수 있다. 제1배기구(240)는 펌프(260)로 공급하는 가스와, 제2배기구(270)로 공급하는 가스를 나누어 배출할 수 있다. 제2배기구(270)는 제3배기구(280)과 연결되어 가스를 외부로 배출될 수 있다. 제2배기구(270)에서 배출되는 가스 중 일부는 측정기(235)와 연결되어 가스의 정화 상태를 측정할 수 있다. 이 경우, 가스 내의 이물질의 양이 기설정된 양보다 높은 경우 제2배기구(270)로 배출되는 가스의 양을 줄이는 제어가 수행될 수 있다.The
측정흡기구(230)는 가스분석장치(235)와 연결되며, 가스분석장치(235)를 통해 성분이 분석된 가스가 다시 주입되는 통로가 될 수 있다.The
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극장착파츠의 사시도이고, 도 3b는 전극장착파츠와 기준전극의 연결구조를 나타낸 사시도이고, 도 3c는 전극장착파츠에 기체확산전극이 체결된 구조를 나타낸 사시도이다.Figure 3a is a perspective view of the electrode mounting parts according to an embodiment of the present invention, Figure 3b is a perspective view showing the connection structure of the electrode mounting parts and the reference electrode, Figure 3c is a structure in which the gas diffusion electrode is fastened to the electrode mounting parts A perspective view is shown.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 전극장착파츠(120)는 전극장착파츠바디(310), 상대전극(340) 및 기준전극(320)을 포함한다.3A to 3C , the
전극장착파츠바디(310)는 내부에 전해질을 가둘 수 있는 공간을 구비한다. 전극장착파츠(120)는 후면에 기체확산전극과 연결되어 전면이 뚫린 밀폐구조를 이룬다.The electrode mounting
전극장착파츠바디(310)의 측면에는 상대전극(340) 및 기준전극(320)이 연결될 수 있다. 기준전극(320)은 전해질에 침지되어 전압을 측정하며, 측정된 전압을 통해 전해질에 포함된 기체의 농도를 측정할 수 있다. 상대전극(340)은 후술할 기체확산전극과의 전위차를 기준으로 반응 활성물질을 선택하는 전력을 인가할 수 있다.A
상대전극(340)은 백금일 수 있으며, 전해질에 침지된 형태로 구비되어 전해질을 중심으로 기체확산전극의 대응전극이 될 수 있다.The
상대전극은 빛의 조사를 가리지 않는 것이 바람직하며, 조광 영역을 피하는 형태로 구비될 수 있다.It is preferable that the counter electrode does not block the irradiation of light, and it may be provided in a form that avoids the dimming area.
전극장착파츠바디(310)는 조립 후 전해질을 채워 넣거나 교체하는 전해질 교체구(330)를 더 구비할 수 있다.The electrode mounting
전극장착파츠(120)는 내부에 전해질을 담는 틀로 기능한다. 전해질에서 전기화학반응이 일어나므로, 전해질의 변성 및 기체 가 발생할 수 있다. 이 경우, 전해질 교체구(330)를 통해 신규 전해질이 유입될 수 있으며, 변성된 전해질은 교체될 수 있다.The
한편, 전극장착파츠(120)는 반응기체배기구(350)를 더 포함할 수 있다. 반응기체 배기구(350)는 전해질의 유출입 과정에서 발생되거나, 전극장착파츠(120) 내의 반응으로 인해 발생되는 반응기체를 배출하도록 구성된다. 반응기체 배기구(350)와 전해질 교체구(330)는 함께 개폐되어 반응기체가 배출되는 동안 전해질을 추가로 채우는 동작을 수행할 수 있다.Meanwhile, the
도 3c를 참조하면, 전극장착파츠(120)의 후면에 기체확산전극(130)이 체결될 수 있다. 기체확산전극(130)은 전해질을 가두는 역할을 하며, 전극장착파츠(120) 내의 광전기화학 반응을 유도할 기체를 공급하는 역할을 한다.Referring to FIG. 3C , the
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산전극의 정면도이고, 도 4b는 단면도이다.4A is a front view of a gas diffusion electrode according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4B is a cross-sectional view.
도 4a를 참조하면, 기체확산전극은 평면 구조에서 윤곽을 이루는 커런트 콜랙터(410)와 윤곽의 안을 채우는 카본페이퍼(420)로 구성될 수 있다. 전압이 균일하게 영향을 미칠 수 있기 위하여, 커런트 콜랙터(410)는 대칭적인 구조가 바람직하다. 구체적으로 환형구조가 적합하다. 커런트 콜랙터(410)는 카본페이퍼(420) 상에서 환원반응을 통해 발생하는 양전하를 수집하여 운반하거나, 카본페이퍼(420)에 균일하게 전압을 인가하는 역할을 한다. 커런트 콜랙터(410)는 높은 전도성과 내구성을 갖는 구리 등의 소재로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 4A , the gas diffusion electrode may be composed of a
도 4b를 참조하면, 기체확산전극의 카본페이퍼(420)는 미세공극을 가진 미세공극구조층(430)과 큰 공극을 가진 조질공극구조층(440)의 2중층으로 구성될 수 있다.Referring to FIG. 4B , the
조질공극구조층(440)은 기체 내부에 포함될 수 있는 이물질 등을 거르는 필터역할을 하며, 미세공극 구조층에 비해 용이하게 기체가 투과될 수 있다.The coarse
미세공극구조층(430)은 조질공극구조층(440)에 비하여 기체 투과 정도는 낮으나, 표면적이 넓어서 반응 속도를 높일 수 있다.The
기체확산전극의 일면은 전극장착파츠에 접하고, 기체확산전극의 타면은 가스파츠에 접한다. 이중 미세공극구조층(430)은 전극장착파츠에 인접하여 구성되고 가스파츠에 인접하여 조질공극구조층(440)이 접하도록 구성될 수 있다.One surface of the gas diffusion electrode is in contact with the electrode mounting part, and the other surface of the gas diffusion electrode is in contact with the gas part. The double
미세공극구조층(430)은 탄소 나노입자를 소결하여 제작될 수 있으며, 조질공극구조층(440)은 탄소 섬유로 제작된 구조일 수 있다.The
여기서 기체확산전극의 면들 중 광투과파츠에 인접한 면은 광촉매 코팅될 수 있다. 기체확산전극은 기체를 투과시킨다. 따라서, 기체확산전극에 접한 전해질의 기체 용해도가 높은 수준을 유지한다. 즉 전극장착파츠에 인접한 기체확산전극의 면에서 반응물질이 높은 수준으로 유지된다. 이 면에 빛을 쬐어주면 반응에 필요한 전력이 낮아지거나 반응 속도가 향상되는 효과가 있다. 따라서, 기체확산전극 중 광투과파츠에 인접한 미세공극구조층(430)에 광촉매를 코팅하여 반응속도를 높일 수 있다.Here, among the surfaces of the gas diffusion electrode, a surface adjacent to the light-transmitting part may be coated with a photocatalyst. The gas diffusion electrode allows gas to pass through. Therefore, the gas solubility of the electrolyte in contact with the gas diffusion electrode is maintained at a high level. That is, the reactant is maintained at a high level on the surface of the gas diffusion electrode adjacent to the electrode mounting part. When light is irradiated on this surface, the power required for the reaction is lowered or the reaction speed is improved. Accordingly, the reaction rate can be increased by coating the photocatalyst on the
광촉매로는 이산화티타늄(TiO2), 삼산화 텅스텐(WO3) 등의 물질을 개질하거나, 에너지 레벨에 따라 다양한 종류의 두 가지 금속이 결합된 이종금속촉매를 사용할 수 있다.As the photocatalyst, a material such as titanium dioxide (TiO 2 ), tungsten trioxide (WO 3 ), etc. may be modified, or a heterometallic catalyst in which various types of two metals are combined according to an energy level may be used.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광투과파츠의 분해 사시도이고, 5b는 광투과파츠가 결합된 구조를 나타낸 사시도이고, 5c는 광투과파츠의 후방에서 바라본 사시도이다.Figure 5a is an exploded perspective view of the light-transmitting parts according to an embodiment of the present invention, 5b is a perspective view showing a structure in which the light-transmitting parts are combined, 5c is a perspective view seen from the rear of the light-transmitting parts.
도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 광투과성 윈도우는 빛을 투과시키는 광학창(520), 광학창(520)을 광투과바디(510)에 체결시키는 광학창 커버(530) 및 광학창(520)과 광투과 바디(510)를 밀봉하는 오링(O-ring; 540)을 포함할 수 있다.5A to 5C, the light-transmitting window is an
광투과성 윈도우는 내부에 빛을 투과시키면서 내부의 전해질이 새는 것을 막는 역할을 한다.The light-transmitting window serves to prevent leakage of the electrolyte inside while transmitting light therein.
다시 말해서, 광투과성 윈도우, 광투과 바디(510)의 내면, 전극장착파츠바디(310)의 내면 및 기체확산전극이 밀폐된 공간을 만들어서 전해질을 수용한다. 광투과파츠(140)에 광투과성 윈도우를 밀폐구조로 구비하여, 빛이 투명한 전해질을 투과하여 기체확산전극에 조사되는 구성을 이룬다.In other words, the light-transmitting window, the inner surface of the light-transmitting
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기의 정면도이고, 도 6b는 도 6a의 A절단선에 대한 측단면도이고, 도 6c는 기체확산반응기의 연결부를 제외한 정면도이고, 도 6d는 기체확산반응기의 측면도이고, 도 6e는 기체확산반응기의 후면도이다.Figure 6a is a front view of the gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention, Figure 6b is a side cross-sectional view taken along the line A of Figure 6a, Figure 6c is a front view excluding the connection of the gas diffusion reactor, Figure 6d is a gas It is a side view of the diffusion reactor, and FIG. 6E is a rear view of the gas diffusion reactor.
도 6b 및 도 6d를 참조하면, 기체확산반응기는 가스파츠(110), 기체확산전극(130), 전극장착파츠(120) 및 광투과파츠(140)가 순서대로 결합되어 박스형 구조로 조립된다.6B and 6D , the gas diffusion reactor is assembled in a box-shaped structure by sequentially combining the
즉, 가스파츠(110), 기체확산전극(130), 전극장착파츠(120) 및 광투과파츠(140)가 순서대로 결합되며, 이들 사이에 밀폐를 위해 오링이 구비된다. 측면에 기체가 출입하는 흡배기구와 전극이 연결된다.That is, the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기에서 빛과 가스는 각각 분리된 경로로 도입된다.Meanwhile, in the gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention, light and gas are introduced through separate paths.
도 6a 및 도 6c를 참조하면, 광학창(520)은 광투과파츠(140)의 정면에 광학창 커버(530)로 고정된다. 빛은 정면의 광학창(520)을 통해 내부로 투과해 들어간다. 투과된 빛은 전극장착파츠(120)의 전해질을 투과하여 기체확산전극(130)에 조사된다.Referring to FIGS. 6A and 6C , the
한편, 가스파츠(100)를 통해 반응가스가 유입된다. 유입된 기체는 기체확산전극(130)을 투과하여 전극장착파츠(120) 내의 전해질로 유입된다. 전해질로 유입된 기체는 상대전극과 기체확산전극(130)에 인가된 전압에 의해 전기반응한다. 이때, 광투과파츠(140)로 유입된 빛이 기체확산전극(130)에 도포된 광촉매의 촉매반응을 촉진시킨다. 따라서, 전기반응의 반응속도가 증대된다.Meanwhile, a reaction gas is introduced through the gas parts 100 . The introduced gas passes through the
한편, 전해질에 투과된 기체 중 반응이 일어나지 않는 물질이 축적될 수 있다. 이 경우 전해질 교체구(330)를 통해 전해질을 교체하여, 반응속도의 저감을 막을 수 있다.On the other hand, materials that do not react in the gas permeated through the electrolyte may be accumulated. In this case, by replacing the electrolyte through the
반응 물질에 따라 전기반응 결과 기체가 생성될 수 있다. 이 경우 전극장착파츠(120) 내에 기체가 축적되어 기압이 높아질 수 있다. 이 경우 반응기체 배기구(350)을 개폐하여 기체를 배기할 수 있다.Depending on the reactant, a gas may be generated as a result of the electrical reaction. In this case, gas may be accumulated in the
가스파츠(110)로 유입되어 전해질에 투과되지 않은 기체는 제1배기구를 통해 배기될 수 있다. 또한, 기체의 성분분석을 통해 반응속도는 실시간으로 측정될 수 있다.Gas flowing into the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 체결 수단을 포함한 기체확산반응기의 분해사시도이다.7 is an exploded perspective view of a gas diffusion reactor including a fastening means according to an embodiment of the present invention.
기체확산반응기의 체결구조는 크게 내력구조와 부착구조로 나눌 수 있다. 내력구조는 가스파츠바디(210), 전극장착파츠바디(310) 및 광투과 바디(510)을 체결하여, 기체확산반응기의 구조를 형성한다. 따라서, 외부의 충격으로부터 기체확산반응기의 구조를 유지하는 역할을 한다. 가스파츠바디(210), 전극장착파츠바디(310) 및 광투과 바디(510)는 기체확산반응기의 외곽을 이루며 밀폐구조를 이루는 주요 구조이며, 가스파츠바디(210), 전극장착파츠바디(310) 및 광투과 바디(510)는 이들을 관통하는 주요체결부(730) 및 주요체결수단(740)으로 연결될 수 있다. 주요체결부(730)는 볼트일 수 있으며 주요체결수단(740)은 너트일 수 있다.The fastening structure of the gas diffusion reactor can be divided into a load-bearing structure and an attachment structure. The bearing structure is formed by fastening the
부착구조는 광학창 커버(530)나 기체확산전극과 같이 내력구조는 아니나, 밀폐구조를 갖는 부품을 부착시키는 역할을 한다. The attachment structure is not a load-bearing structure such as the
광학창 커버(530)는 광투과 바디(510)에 구비된 홀에 광학창 커버(530)를 관통하여 체결되는 광학창 체결수단(720)으로 광투과 바디(510)에 체결될 수 있다. 이때, 광학창 커버(530)는 광학창(520)의 외곽을 감싸서 누르는 구조로 광학창(520)을 고정할 수 있다.The
기체확산전극은 기체확산전극의 외곽을 이루는 커런트 콜랙터(410)를 관통하는 기체확산전극 체결수단(710)으로 전극장착파츠바디(310)에 체결될 수 있다. 전극장착파츠바디(310)에는 기체확산전극 체결수단(710)이 체결될 수 있는 홀과 같은 구조를 구비할 수 있다.The gas diffusion electrode may be fastened to the electrode mounting
본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기는 기체확산전극에 빛이 직접 조사되는 구조를 갖춤으로써, 광반응과 전기화학반응의 효과를 동시에 얻을 수 있다.The gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention has a structure in which light is directly irradiated to the gas diffusion electrode, so that the effects of the photoreaction and the electrochemical reaction can be obtained at the same time.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기는 기체 및 액체 상태의 다양한 오염물을 분해하는 데에 사용될 수 있다.In particular, the gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention can be used to decompose various contaminants in gaseous and liquid states.
구체적으로, 아래의 화학식1과 같은 광촉매라디칼 생성반응과 화학식2와 같은 휘발성 유기화합물(VOCs) 분해반응에 적용되어 효율성을 향상시킬 수 있다.Specifically, the efficiency can be improved by being applied to a photocatalytic radical generation reaction as shown in
[화학식 1][Formula 1]
phtocatalyst + hv ---> e-(CB) + h+(VB)phtocatalyst + hv ---> e-(CB) + h+(VB)
h+(VB) + H2O ----> OH- h+(VB) + H 2 O ----> OH-
e- (CB) + O2 ------>˙O2-e- (CB) + O 2 ------>˙O 2 -
[화학식 2][Formula 2]
VOCs(CH3CHO,CH2O,CH3COOH,C7H8) + OH- ---> H2O + CO2 VOCs(CH 3 CHO,CH 2 O,CH 3 COOH,C 7 H 8 ) + OH- ---> H 2 O + CO 2
VOCs(CH3CHO,CH2O,CH3COOH,C7H8) +˙O2 ---> H2O + CO2 VOCs(CH 3 CHO,CH 2 O,CH 3 COOH,C 7 H 8 ) +˙O 2 ---> H 2 O + CO 2
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기는 기체를 주입하는 구성(가스파츠 및 부수 연결구조;110,210,220,240)과 전해질을 주입하는 구성(전해질 교체구;330)을 모두 구비하고 있다. 따라서, 기체를 주입하는 구성을 생략하거나, 이용하지 않는 방법으로 액체 상태의 전해질 내의 오염물을 분해하는 용도로 사용할 수 있다. 다시 말해서, 오염물질이 포함된 용액을 전해질과 함께 주입하는 방법으로 수질개선 기기로 활용할 수 있다.In addition, the gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention has both a configuration for injecting gas (gas parts and ancillary connection structures; 110, 210, 220, 240) and a configuration for injecting an electrolyte (electrolyte replacement port; 330). Therefore, it can be used for the purpose of decomposing contaminants in the liquid electrolyte by omitting or not using the gas injection configuration. In other words, it can be used as a water quality improvement device by injecting a solution containing contaminants together with an electrolyte.
본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기는 전해질을 주입하는 구성과 전해질에서 발생하는 기체를 제거하거나 수집하는 구성을 포함한다. 따라서, 전해질로서 수산화나트륨 수용액 등을 사용하여 물의 전기분해 기기로 활용할 수 있다.A gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention includes a configuration for injecting an electrolyte and a configuration for removing or collecting gas generated from the electrolyte. Therefore, it can be utilized as an electrolysis device of water using an aqueous sodium hydroxide solution or the like as an electrolyte.
본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기는 가스분석장치와 연결됨으로써, 실시간으로 기체확산반응 정도를 확인할 수 있다.The gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention is connected to the gas analyzer, so that the degree of the gas diffusion reaction can be checked in real time.
본 발명의 일 실시예에 따른 기체확산반응기는 제1배기구에서 나오는 가스의 일부를 다시 기체확산반응기에 주입함으로써, 기체확산반응기 내부 가스의 혼합이 활성화되어 가스분석결과를 정밀화하고, 기체확산반응을 촉진시키는 효과가 있다.In the gas diffusion reactor according to an embodiment of the present invention, by injecting a part of the gas coming out of the first exhaust port back into the gas diffusion reactor, the mixing of the gas inside the gas diffusion reactor is activated to refine the gas analysis result, and to perform the gas diffusion reaction. has a stimulating effect.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다. The description of the present invention described above is for illustration, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and likewise components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.
110: 가스파츠 120: 전극장착파츠
130: 기체확산전극 140: 광투과파츠
210: 가스파츠바디 220: 제1흡기구
230: 측정흡배기구 235: 가스분석장치
240: 제1배기구 250: 제2흡기구
260: 펌프 270: 제2배기구
310: 전극장착파츠 320: 기준전극
330: 전해질 교체구 340: 상대전극
350: 반응기체배기구 410: 커런트 콜랙터
420: 카본페이퍼 430: 미세공극구조층
440: 조질공극구조층 510: 광투과 바디
520: 광학창 530: 광학창 커버
540: 오링 710: 기체확산전극 체결수단
720: 광학창 체결수단 730: 주요체결부
740: 주요체결수단110: gas parts 120: electrode mounting parts
130: gas diffusion electrode 140: light transmitting parts
210: gas parts body 220: first intake port
230: measurement intake and exhaust port 235: gas analysis device
240: first exhaust port 250: second intake port
260: pump 270: second exhaust port
310: electrode mounting parts 320: reference electrode
330: electrolyte replacement 340: counter electrode
350: reaction gas exhaust port 410: current collector
420: carbon paper 430: micropore structure layer
440: tempered pore structure layer 510: light transmitting body
520: optical window 530: optical window cover
540: O-ring 710: gas diffusion electrode fastening means
720: optical window fastening means 730: main fastening part
740: main fastening means
Claims (14)
전력을 인가하여 상기 가스를 분해하는 전극장착파츠;
상기 가스파츠와 상기 전극장착파츠를 분리하며 기체가 투과되는 기체확산전극; 및
상기 전극장착파츠와 체결되어 상기 전극장착파츠 내에 밀폐된 공간을 형성하며, 상기 기체확산전극에 빛이 조사될 수 있도록, 광투과성 윈도우를 구비한 광투과파츠를 포함하고,
상기 기체확산전극은 전도성이며 방수성이며, 평면 구조에서 윤곽을 이루는 커런트 콜랙터와 내부를 채우는 카본페이퍼를 포함하는 기체확산반응기.Gas parts equipped with an intake and exhaust port into which gas enters;
electrode mounting parts for decomposing the gas by applying electric power;
a gas diffusion electrode separating the gas part and the electrode mounting part and allowing gas to pass therethrough; and
It is fastened with the electrode mounting parts to form an enclosed space within the electrode mounting parts, and includes light transmitting parts having a light transmitting window so that light can be irradiated to the gas diffusion electrode,
The gas diffusion electrode is conductive and waterproof, and a gas diffusion reactor comprising a current collector forming a contour in a planar structure and carbon paper filling the inside.
상기 가스파츠는,
상기 흡기구를 2 이상 구비하고, 상기 흡기구 중 하나 이상은 상기 배기구로 배출된 가스를 다시 주입하는 것을 특징으로 하는 기체확산반응기.According to claim 1,
The gas parts are
A gas diffusion reactor comprising two or more inlet ports, and at least one of the inlet ports re-injects the gas discharged to the exhaust port.
상기 배기구에서 배출된 가스를 가압하여 상기 흡기구 중 하나 이상에 다시 주입하는 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 확산 반응기.3. The method of claim 2,
The gas diffusion reactor according to claim 1, further comprising a pump for pressurizing the gas discharged from the exhaust port and injecting it back into at least one of the inlet ports.
상기 배기구는 가스분석장치와 연결된 것을 특징으로 하는 기체 확산 반응기.According to claim 1,
The exhaust port is gas diffusion reactor, characterized in that connected to the gas analyzer.
상기 전극장착파츠는,
상대극을 구비하는 것을 특징으로 하는 기체 확산 반응기.According to claim 1,
The electrode mounting parts,
A gas diffusion reactor comprising a counter electrode.
상기 전극장착파츠는,
기준전극을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기체 확산 반응기.6. The method of claim 5,
The electrode mounting parts,
Gas diffusion reactor, characterized in that it further comprises a reference electrode.
상기 기체확산전극은 미세공극구조층 및 조질공극구조층의 2중층으로 구성된 것을 특징으로 하는 기체 확산 반응기.According to claim 1,
The gas diffusion electrode is a gas diffusion reactor, characterized in that composed of a double layer of the micropore structure layer and the coarse pore structure layer.
상기 기체확산전극은 상기 전극장착파츠에 인접하여 상기 미세공극구조층이 위치하고, 상기 가스파츠에 인접하여 상기 조질공극구조층이 접하는 것을 특징으로 하는 기체 확산 반응기.10. The method of claim 9,
The gas diffusion electrode is a gas diffusion reactor, characterized in that the micropore structure layer is positioned adjacent to the electrode mounting parts, and the coarse pore structure layer is adjacent to the gas parts.
상기 기체확산전극의 면들 중 상기 광투과파츠에 인접한 면은 광촉매 코팅 된 것을 특징으로 하는 기체 확산 반응기.According to claim 1,
Among the surfaces of the gas diffusion electrode, a surface adjacent to the light-transmitting part is coated with a photocatalyst.
상기 광촉매 코팅은 이산화티타늄, 삼산화텅스텐 중 어느 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 기체 확산 반응기.12. The method of claim 11,
The photocatalytic coating is a gas diffusion reactor, characterized in that made of any one or more of titanium dioxide and tungsten trioxide.
상기 광투과성 윈도우는
빛을 투과시키는 광학창;
상기 광학창을 상기 광투과 바디에 체결시키는 광학창 커버; 및
상기 광학창과 상기 광투과 바디 사이를 밀봉하는 오링(O-ring)을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 확산 반응기.According to claim 1,
The light-transmitting window
an optical window that transmits light;
an optical window cover for fastening the optical window to the light transmitting body; and
Gas diffusion reactor comprising an O-ring sealing between the optical window and the light-transmitting body.
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