KR102294907B1 - 과산화수소 생성을 위한 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체 - Google Patents

과산화수소 생성을 위한 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체 Download PDF

Info

Publication number
KR102294907B1
KR102294907B1 KR1020190133765A KR20190133765A KR102294907B1 KR 102294907 B1 KR102294907 B1 KR 102294907B1 KR 1020190133765 A KR1020190133765 A KR 1020190133765A KR 20190133765 A KR20190133765 A KR 20190133765A KR 102294907 B1 KR102294907 B1 KR 102294907B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
cathode
anode
bipolar plate
plate
bipolar
Prior art date
Application number
KR1020190133765A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20210049454A (ko
Inventor
박규원
박석원
김성태
권경안
김대원
장정화
이진희
한희주
Original Assignee
주식회사 테크로스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 테크로스 filed Critical 주식회사 테크로스
Priority to KR1020190133765A priority Critical patent/KR102294907B1/ko
Priority to PCT/KR2019/014344 priority patent/WO2021080064A1/ko
Publication of KR20210049454A publication Critical patent/KR20210049454A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102294907B1 publication Critical patent/KR102294907B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/28—Per-compounds
    • C25B1/30—Peroxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031—Porous electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식을 방지하기 위한 전기적 차폐수단이 구비된 바이폴라 플레이트 구조체에 관한 것으로, 바이폴라 플레이트를 중앙으로 상기 바이폴라 플레이트의 한쪽 면에 가스확산 전극(GDE)인 음극을 포함하는 음극부와 반대쪽 면에 양극을 포함하는 양극부가 각각 결합되고, 상기 바이폴라 플레이트와 음극부 및 양극부 사이에 상기 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식을 방지하기 위한 전기적 차폐 수단을 포함하되, 상기 바이폴라 플레이트는 한쪽 면과 반대쪽 면에 각각 음극과 양극의 설치를 위한 일정한 깊이의 요부를 가지며, 상기 요부로부터 외측으로 연장된 상기 바이폴라 플레이트의 양쪽 면의 상하 대응 단부에는 상기 음극부 및 양극부에서의 물의 유동을 위해 유수 유입구와 유수 유출구가 각각 형성되어 있고, 상기 음극부는 음극과 음극 차폐 플레이트, 및 상기 음극부 전체를 커버하기 위한 가스켓의 결합 구성으로 이루어지고, 상기 양극부는 양극과 양극 차폐 플레이트, 및 상기 양극부 전체를 커버하기 위한 가스켓의 결합 구성으로 이루어진 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체를 제공한다.

Description

과산화수소 생성을 위한 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체{WATER ELECTROYSIS BIPOLAR PLATE STRUCTURE FOR PRODUCING HYDROGEN PEROXIDE}
본 발명은 산화제 발생용 전기분해 장치에서 사용되는 수전해용 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식을 방지하기 위한 전기적 차폐수단이 구비된 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체에 관한 것이다.
과산화수소는 강력한 산화력이 있어, 화학적 합성, 수처리, 펄프 및 제지공정, 표백제, 촉매 등에 다양하게 사용된다. 또한, 과산화수소는 친화경적인 특성으로 인해 염소를 대체할 수 있고, 산소의 발생 및 공급을 필요로 하는 분야에서 사용될 수 있다.
일반적으로 과산화수소의 생산은 공기 중의 산소를 안트라퀴논이나 이소프로필알코올 같은 유기화합물과 반응시켜 만들어지며, 상업적으로는 대개 농도가 35, 50, 70 및 90%인 수용액으로 만들고 있다.
도 1은 과산화수소 생성을 위한 전기분해장치의 모식도로서, 전기분해를 이용한 공지의 과산화수소 발생장치는 전기분해가 이루어지는 반응기, 반응기 내부에 설치된 양극, H+ 이동막 및 음극(가스확산전극;GDE)을 구비하고, 양극 및 음극에 의해 반응기 내부의 공간은 3부분으로 분리된다. 이때, 양극과 음극 사이의 공간으로 양극 바깥쪽에 유입된 전해질에서 발생한 H+가 양극과 H+ 이동막을 거쳐 유입되고, 가스확산전극을 통해, 가스확산전극 외부에 공급된 산소기체가 상기 공간으로 유입되어 과산화수소가 생성된다.
일반적으로 과산화수소는 가정용 소독제부터 폐수처리용 산화제, 피혁가공 표백제 등 사용분야가 매우 다양한 화학약품으로서, 이 중 폐수처리용, 피혁가공 표백제 등에 대량으로 사용되고 있으며, 인체에 접촉될 경우 화상의 위험성이 있고 산화력이 매우 높기 때문에 유기용제와 반응하여 대폭발이 일어날 수 있다.
따라서, 과산화수소는 많은 양을 사용할 경우 운반(이송), 보관 및 사용하는데 있어 사용자에게 많은 위험성이 존재하므로 일반적으로 저장용량이 300kg 이상일 경우 제6류 위험물로 지정·관리되고 있다.
또한, 과산화수소의 농도가 높을 경우 폭발위험성이 있기 때문에 물과 일정 전해질을 전기분해하고 산소 또는 공기를 불어넣어 주어 최대 35% 이내의 농도로 제조하는 방법이 적용된다.
한편, 본 출원인은 음극에 산소를 투입하여 전기화학적 반응으로 현장에서 과산화수소를 생산할 수 있도록 하는 전기분해장치와 관련하여 출원하여 특허 제1,907,642호, 제1,910,636호 및 제1,932,163호로 등록을 받았다. 이러한 전기분해장치에 의하면, 필요한 양 만큼 실시간으로 생산하기 때문에 저장탱크의 사이즈를 최소화할 수 있으며, 수분 증발에 따른 고농도화 폭발 위험성을 저감할 수 있고 사용자의 핸들링을 최소화할 수 있어 기존의 약품을 구매/운반/보관/사용에 따른 위험성을 크게 줄일 수 있다.
그러나, 전기분해장치에서 단일 셀 각각에서 양극과 음극 부스바를 체결하여 전류를 인가시키는 구조는 전해질의 누수 포인트가 많아지고 전선 케이블의 연결이 복잡해질 뿐만 아니라, 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식이 발생하게 되는 문제가 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 개발된 것으로, 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식을 방지하기 위한 전기적 차폐수단이 구비된 바이폴라 플레이트 구조체를 제공하는데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 바이폴라 플레이트를 중앙으로 상기 바이폴라 플레이트의 한쪽 면에 가스확산 전극(GDE)인 음극을 포함하는 음극부와 반대쪽 면에 양극을 포함하는 양극부가 각각 결합되고, 상기 바이폴라 플레이트와 음극부 및 양극부 사이에 상기 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식을 방지하기 위한 전기적 차폐 수단을 포함하는 과산화수소 발생용 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체로서, 상기 바이폴라 플레이트는 한쪽 면과 반대쪽 면에 각각 음극과 양극의 설치를 위한 일정한 깊이의 요부를 가지며, 상기 요부로부터 외측으로 연장된 상기 바이폴라 플레이트의 양쪽 면의 상하 대응 단부에는 상기 음극부 및 양극부에서의 물의 유동을 위해 유수 유입구와 유수 유출구가 각각 형성되어 있고, 상기 음극부는 음극과 음극 차폐 플레이트, 및 상기 음극부 전체를 커버하기 위한 가스켓의 결합 구성으로 이루어지고, 상기 양극부는 양극과 양극 차폐 플레이트, 및 상기 양극부 전체를 커버하기 위한 가스켓의 결합 구성으로 이루어진 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체가 제공된다.
본 발명에 따르면, 음극부는 상기 음극을 상기 바이폴라 플레이트에 대하여 지지하기 위한 GDE 음극 서포트를 더 포함하고, 상기 GDE 음극 서포트는 용접에 의해 상기 음극과 일체로 결합되어 제공되며, 상기 음극부 측의 요부의 일 측단에는 상기 가스확산전극(GDE)인 음극에 대하여 외부로부터의 산소 공급을 위한 산소 투입구가 제공된다.
또한, 바이폴라 플레이트는 한쪽 면과 반대쪽 면의 각 요부의 상하 대응 단부들에는 음극 차폐 플레이트와 양극 차폐 플레이트를 설치하기 위한 스페이스가 각각 마련되어 이들 상하 스페이스들에 상기 음극 차폐 플레이트와 상기 양극 차폐 플레이트가 각각 결합되고, 상기 음극 차폐 플레이트는 상기 음극으로부터 상기 바이폴라 플레이트로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 상기 바이폴라 플레이트의 한쪽 면의 상하 스페이스들에 각각 부착 또는 고정되어 상기 음극의 상단 및 하단과 상기 바이폴라 플레이트 사이를 이격시키도록 구성되며, PVC, PP, PTFE를 포함하는 플라스틱 계열 소재 중 1종 이상으로 이루어지고, 상기 양극 차폐 플레이트는 상기 양극으로부터 상기 바이폴라 플레이트로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 상기 바이폴라 플레이트의 반대쪽 면의 상하 스페이스들에 부착 또는 고정되어 상기 양극의 상단 및 하단과 바이폴라 플레이트 사이를 이격시키도록 구성되며, PVC, PP, PTFE 등 플라스틱 계열 소재 중 1종 이상으로 이루어지고, 상기 가스켓은 음극부 및 양극부를 따라 유동하는 물의 누수를 막음과 동시에 상기 바이폴라 플레이트의 각 면의 유수 유입구로부터 유수 유출구로의 균일한 상향류 흐름을 유도하기 위해 각 요부들에 대응하여 세로 방향의 다수의 상향류 라인이 형성되되, 상기 가스켓은 PTFE, 실리콘, 고무를 포함하는 비전도성 재질 중 1종 이상으로 이루어진 것이 바람직하다.
본 발명에서 음극은 니켈폼 위에 전도성 카본 파우더, 그레뉼 등과 PVDF, PTFE 등을 혼합하여 스프레이 코팅한 후 100~350℃에서 10bar~300bar로 핫 프레싱시킨 전극이 바람직하고, 양극은 백금족 전이금속인 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 안티모니(Sb) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 전이금속 중 1종 이상으로 코팅한 후 열분해시킨 전극이 바람직하다.
상술된 특징들로부터 본 발명은 바이폴라 플레이트 구조체를 적용하여 다수의 전기분해 셀을 간편하게 조립할 수 있으며, 아울러 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 1은 과산화수소 생성을 위한 전기분해장치의 일반적인 모식도,
도 2는 전기분해장치에서의 과산화수소 생성을 위한 본 발명에 따른 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체의 외관 및 분해 사시도,
도 3은 도 2의 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체에서의 일부 확대 사시도,
도 4는 도 2의 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체의 음극부에서의 물의 흐름을 나타낸 도면,
도 5는 도 2의 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체의 양극부에서의 물의 흐름을 나타낸 도면, 및
도 6은 도 2의 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체를 다수 개 연결하여 형성한 전기분해장치의 일 예를 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면과 실시예들을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
아래의 실시예에서는 발명을 설명함에 있어서 필연적인 부분들을 제외하고는 그 도시와 설명을 생략하였으며, 명세서 전체를 걸쳐 동일 유사한 요소에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 반복하지 않고 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 과산화수소 발생용 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체의 외관 형상(a)과 분해 구성(b)을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 따른 바이폴라 플레이트 구조체의 음극부 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 과산화수소 발생용 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체는 바이폴라 플레이트(100)와 음극부(200) 및 양극부(300)로 구성되며, 바이폴라 플레이트(100)를 중심으로 그 한쪽 면에 가스확산 전극(GDE)인 음극(210)을 포함하는 음극부(200)가 결합되고 반대쪽 면에 양극(310)을 포함하는 양극부(300)가 결합된다.
바이폴라 플레이트(100)는 일면과 그 반대면에 각각 음극(210)과 양극(310)의 설치를 위한 일정한 깊이의 요부(110)(120)를 가지며, 이들 각 요부로부터 외측으로 연장된 상기 바이폴라 플레이트(100)의 양쪽 면의 상하 대응 단부에는 음극부(200) 및 양극부(300)에서의 물의 유동을 위해 각각 유수 유입구(111)(121)와 유수 유출구(112)(122)가 형성되어 있다.
음극부(200)는 바이폴라 플레이트(100)의 한쪽 면에 설치되는 것으로, 일정한 면적을 갖는 음극(210)과, 이 음극을 상기 바이폴라 플레이트(100)에 대하여 지지하기 위한 GDE 음극 서포트(220), 그리고 음극 차폐 플레이트(230), 및 상기 음극부 전체를 커버하기 위한 가스켓(240)의 결합 구성으로 이루어진다. 본 실시예에서 음극(210)과 GDE 음극 서포트(220)는 용접에 의해 일체로 결합되어 제공되는 것이 바람직하며, GDE 음극 서포트(220)의 둘레면을 따라 천공된 나사공(221)을 통해 바이폴라 플레이트(100)의 한쪽 면의 요부(110)에 스크류(222)로 체결된다.
또한, 양극부(300)는 일정한 면적을 갖는 양극(310)과, 양극 차폐 플레이트(330), 및 양극부 전체를 커버하기 위한 가스켓(340)의 결합 구성으로 이루어지며, 양극(310)은 둘레면을 따라 천공된 나사공(311)을 통해 바이폴라 플레이트(100)의 다른쪽 면의 요부(120)에 스크류(312)로 체결된다.
또한, 바이폴라 플레이트(100)의 한쪽 면과 그 반대쪽 면의 각 요부(110)(120)의 상하 대응 단부들에는 음극 차폐 플레이트(230)와 양극 차폐 플레이트(330)를 설치하기 위한 스페이스(113,114)(123,124)가 각각 마련되어 이들 상하 스페이스들에 음극 차폐 플레이트(230)와 양극 차폐 플레이트(330)가 각각 결합된다. 음극부(200) 측의 상기 요부(110)의 일 측단에는 가스확산전극(GDE)인 음극(210)에 대하여 외부로부터의 산소 공급을 위한 산소 투입구(115)가 형성되어 있다.
음극 차폐 플레이트(230)는 음극(210)으로부터 바이폴라 플레이트(100)로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 것으로, 만일 음극(210)인 가스확산전극(GDE)에서 사용될 전류가 과산화수소 발생 반응이 없는 바이폴라 플레이트(100)에 흐르게 될 경우, 음극 전류에 의한 과산화수소 발생 효율이 크게 저하하게 된다. 따라서, 음극 차폐 플레이트(230)는 일반적으로 PVC, PP, PTFE 등 플라스틱 계열 소재를 이용하여 일정한 길이를 갖도록 제작되며, 음극(210)의 상단 및 하단과 바이폴라 플레이트(100) 사이를 이격시키도록 상기 바이폴라 플레이트(100)의 한쪽 면의 상하 스페이스들(113,114)에 부착 또는 고정된다.
양극 차폐 플레이트(330)는 양극(310)으로부터 바이폴라 플레이트(100)로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 것으로, 만일 양극(310)에서 사용될 전류가 바이폴라 플레이트(100)에 흐르게 될 경우 바이폴라 플레이트(100)는 부식이 진행된다. 따라서, 양극 차폐 플레이트(330)는 일반적으로 PVC, PP, PTFE 등 플라스틱 계열 소재를 이용하여 일정한 길이를 갖도록 제작되며, 양극(310)의 상단 및 하단과 바이폴라 플레이트(100) 사이를 이격시키도록 상기 바이폴라 플레이트(100)의 반대쪽 면의 상하 스페이스들(123,124)에 부착 또는 고정된다.
가스켓(240)(340)은 음극부(200)와 양극부(300)를 각각 커버하는 것으로, 음극부(200)와 양극부(300)를 따라 유동하는 물의 누수를 막을 뿐만 아니라, 바이폴라 플레이트(100)의 각 면의 유수 유입구(111)(121)로부터 유수 유출구(112)(122)로의 상향류 흐름을 유도하기 위해 각 요부(110)(120)들에 대응하여 세로 방향의 다수의 유로 또는 라인들(241)(341)(이하 '상향류 라인' 이라 함)이 형성된 구조를 가지며, 이러한 다수의 상향류 라인(241)(341)은 음극(210)과 양극(310)의 각 전극 부분에서 유수의 균일한 흐름을 유도하게 된다. 가스켓(240)(340)은 일반적으로 PTFE, 실리콘, 고무 등 비전도성 재질로 구성되며, 음극 차폐 플레이트(230) 또는 양극 차폐 플레이트(330) 이외의 부분에 대한 전류 흐름을 차단한다.
한편, 음극(310)인 가스확산전극(GDE)은 과산화수소를 발생시키는 것으로, 얇게 가공된 니켈 플레이트 위에 가스확산 레이어인 및 니켈폼 위에 촉매층을 형성한 구조를 갖는다. 양극은 백금족 전이금속인 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 안티모니(Sb) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 전이금속 중 1종 이상으로 코팅한 후 열분해시킨 전극으로서, 차아염소산이온이 생성되며 산소 발생에도 효과적이다.
Figure 112019109358864-pat00001
위의 식에서 보는 바와 같이, 양극반응은 산소발생 반응이고 음극반응은 외부에서 공급되는 산소에 의한 과산화수소 발생반응과 물 분해 반응에 의한 수소발생 반응으로서, 여기서 수소발생 반응은 부반응으로 볼 수 있다.
음극에서는 산소 1mol과 2mol의 수소이온을 이용하여 과산화수소가 생성된다. 음극은 니켈폼 위에 전도성 카본(carbon) 파우더, 그레뉼 등과 PVDF, PTFE 등을 혼합하여 스프레이 코팅한 후 핫 프레싱시킨 전극이 적합하다. 여기서, 전도성 카본은 카본(carbon) 성분을 함유한 목질계 또는 석탄계가 모두 해당된다. 이때 파우더 또는 그레뉼 상으로 적용이 가능하며, 보다 적합하게는 10 마이크로미터(㎛) 이하 크기가 바람직하다. 니켈폼 위의 코팅은 브러쉬, 담지 등의 방법이 있으며, 보다 바람직하게는 스프레이 코팅이 이용될 수 있다. 상기 핫 프레싱 조건은 100~350℃ 이내에서 10bar~300bar로 압축하는 것이 적합하다.
도 4는 도 2에 따른 바이폴라 플레이트 구조체의 음극부에서의 물의 흐름을 나타낸 것으로, 도 4(a)는 음극부(200)인 바이폴라 플레이트의 한쪽 면에 음극(210)과 음극 차폐 플레이트(230)가 설치된 상태에서 유수 유입구(111)와 유수 유출구(112)를 통한 물의 유출입 경로를 화살표로 보여준다. 도 4(b)는 도 4(a)에서의 음극부(200)의 외부에 가스켓(240)이 결합된 상태를 나타낸 것으로, 유수 유입구(111)를 통해 유입된 물이 가스켓(240) 표면의 상향류 라인(241)을 따라 상승하여 유수 유출구(112) 측으로 유동하는 상태를 화살표로 보여주고 있다. 이때, 유수의 흐름은 음극(210)의 표면을 따라 균일한 흐름으로 유동하며, 도 3에 도시된 산소 투입구(115)를 통해 음극부(200) 측에 과산화수소 발생에 필요한 산소의 공급 및 흐름이 이루어지면 산소는 GDE 음극 서포트(220)를 통과한 후 전원 인가에 의해 음극(210)인 가스확산전극(GDE)에서 전기분해 반응을 통해 과산화수소를 생성하게 된다.
도 5는 도 2에 따른 바이폴라 플레이트 구조체의 양극부에서의 물의 흐름을 나타낸 것으로, 도 5(a)는 양극부(300)인 바이폴라 플레이트의 반대쪽 면에 양극(310)과 양극 차폐 플레이트(330)가 설치된 상태에서 유수 유입구(121)와 유수 유출구(122)를 통한 물의 유출입 경로를 화살표로 보여준다. 도 5(b)는 도 5(a)에서의 양극부(300)의 외부에 가스켓(340)이 결합된 상태를 나타낸 것으로, 유수 유입구(121)를 통해 유입된 물이 가스켓(340) 표면의 상향류 라인(341)을 따라 상승하여 유수 유출구(122) 측으로 유동하는 상태를 화살표로 보여주고 있다. 이때, 유수의 흐름은 양극(310)의 표면을 따라 균일한 흐름으로 유동하면서 전원 인가로 인한 전기분해 반응을 통해 산소를 생성하게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트 구조체를 이용하여 형성한 전기분해장치의 일 예를 도시한 것으로, 이러한 전기분해장치는 복수 개의 바이폴라 플레이트 구조체(1)를 일렬로 배열한 상태로 양측에 전류인가 부분인 양극 스택 단부 플레이트(2)와 음극 스택 단부 플레이트(3)를 각각 배치하고, 또한 그 외측에는 양극과 음극을 절연시키기 위한 절연 단부 플레이트(4)(5)를 각각 배치한 상태에서 체결너트(6)와 체결볼트(7)를 이용하여 결합되는 구성임을 볼 수 있다.
여기서, 바이폴라 플레이트 구조체(1)들 사이에는 상기에서 식으로 과산화수소의 양극 산화반응을 방지할 위한 목적으로 양이온 교환막(미도시)을 이용하여 양극수와 음극수의 흐름을 분리하게 된다. 또한, 양이온 교환막 대신 단순 분리를 목적으로 한 다이어프램 막도 사용가능하다.
이상 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 지금까지 설명한 내용들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 그 일부를 예시한 정도에 불과하며, 아래에 첨부된 청구범위에 나타날 수 있는 것을 제외하고는 상술한 내용에 의해 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 이와 동일한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 범위 내에서 발명의 기술적 사상과 요지를 벗어나지 않으면서 균등물의 많은 변화, 수정 및 대체가 이루어질 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
1 : 바이폴라 플레이트 구조체
2 : 양극 스택 단부 플레이트
3 : 음극 스택 단부 플레이트
4,5 : 절연 단부 플레이트
6 : 체결너트
7 : 체결볼트
100 : 바이폴라 플레이트
110,120 : 요부
111,121 : 유수 유입구
112,122 : 유수 유출구
113,114,123,124 : 스페이스
200 : 음극부
210 : 음극
220 : GDE 음극 서포트
221 : 나사공
222 : 스크류
230 : 음극 차폐 플레이트
240 : 가스켓
241 : 상향류 라인
300 : 양극부
310 : 양극
311 : 나사공
312 : 스크류
330 : 양극 차폐 플레이트
340 : 가스켓
341 : 상향류 라인

Claims (10)

  1. 바이폴라 플레이트를 중앙으로 상기 바이폴라 플레이트의 한쪽 면에 가스확산 전극(GDE)인 음극을 포함하는 음극부와 반대쪽 면에 양극을 포함하는 양극부가 각각 결합되고, 상기 바이폴라 플레이트와 음극부 사이, 및 상기 바이폴라 플레이트와 양극부 사이에 각각 상기 음극 및 양극으로부터 상기 바이폴라 플레이트로의 전류 흐름을 방지하기 위한 전기적 차폐수단으로서의 음극 차폐 플레이트 및 양극 차폐 플레이트가 상기 바이폴라 플레이트와 상기 음극의 상단 및 하단 사이, 및 상기 바이폴라 플레이트와 상기 양극의 상단 및 하단 사이를 각각 이격시키도록 구비되는, 과산화수소 발생용 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트는 한쪽 면과 반대쪽 면에 각각 음극과 양극의 설치를 위한 일정한 깊이의 요부를 가지며, 상기 요부로부터 외측으로 연장된 상기 바이폴라 플레이트의 양쪽 면의 상하 대응 단부에는 상기 음극부 및 양극부에서의 물의 유동을 위해 유수 유입구와 유수 유출구가 각각 형성되어 있고, 상기 음극부는 음극과 음극 차폐 플레이트, 및 상기 음극부 전체를 커버하기 위한 가스켓의 결합 구성으로 이루어지며, 상기 양극부는 양극과 양극 차폐 플레이트, 및 상기 양극부 전체를 커버하기 위한 가스켓의 결합 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 음극부는 상기 음극을 상기 바이폴라 플레이트에 대하여 지지하기 위한 GDE 음극 서포트를 더 포함하되, 상기 GDE 음극 서포트는 용접에 의해 상기 음극과 일체로 결합되는 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트는 한쪽 면과 반대쪽 면의 각 요부의 상하 대응 단부들에 각각 음극 차폐 플레이트와 양극 차폐 플레이트를 설치하기 위한 스페이스가 마련되어 이들 상하 스페이스들에 상기 음극 차폐 플레이트와 상기 양극 차폐 플레이트가 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트는 음극부 방향의 요부의 일 측단에 상기 가스확산전극(GDE)인 음극에 대하여 외부로부터의 산소 공급을 위한 산소 투입구가 형성된 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 음극 차폐 플레이트는 상기 바이폴라 플레이트의 한쪽 면의 상하 스페이스들에 각각 부착 또는 고정되어 상기 음극의 상단 및 하단과 상기 바이폴라 플레이트 사이를 이격시키도록 구성되며, PVC, PP, PTFE를 포함하는 플라스틱 계열 소재 중 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 양극 차폐 플레이트는 상기 바이폴라 플레이트의 반대쪽 면의 상하 스페이스들에 부착 또는 고정되어 상기 양극의 상단 및 하단과 상기 바이폴라 플레이트 사이를 이격시키도록 구성되며, PVC, PP, PTFE를 포함하는 플라스틱 계열 소재 중 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
  8. 제 2항에 있어서,
    상기 가스켓은, 상기 바이폴라 플레이트의 각 면의 유수 유입구로부터 유수 유출구로의 유수의 균일한 흐름을 유도하기 위해 각 요부들에 대응하여 세로 방향의 다수의 상향류 라인이 형성되며, PTFE, 실리콘 및 고무를 포함하는 비전도성 재질 중 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 음극은 니켈폼 위에 전도성 카본 파우더, 그레뉼 중 적어도 하나와 PVDF, PTFE 중 적어도 하나를 혼합하여 스프레이 코팅한 후 100~350℃에서 10bar~300bar로 핫 프레싱시킨 전극인 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 양극은 백금족 전이금속인 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 및 망간(Mn) 중에서 선택된 1종 이상의 전이금속으로 코팅한 후 열분해시킨 전극인 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
KR1020190133765A 2019-10-25 2019-10-25 과산화수소 생성을 위한 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체 KR102294907B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190133765A KR102294907B1 (ko) 2019-10-25 2019-10-25 과산화수소 생성을 위한 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체
PCT/KR2019/014344 WO2021080064A1 (ko) 2019-10-25 2019-10-29 과산화수소 생성을 위한 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190133765A KR102294907B1 (ko) 2019-10-25 2019-10-25 과산화수소 생성을 위한 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210049454A KR20210049454A (ko) 2021-05-06
KR102294907B1 true KR102294907B1 (ko) 2021-08-30

Family

ID=75620761

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190133765A KR102294907B1 (ko) 2019-10-25 2019-10-25 과산화수소 생성을 위한 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102294907B1 (ko)
WO (1) WO2021080064A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116043250A (zh) * 2022-12-31 2023-05-02 上海莒纳新材料科技有限公司 电解槽
CN118416274B (zh) * 2024-07-04 2024-10-11 清华大学深圳国际研究生院 基于原位过氧化氢电合成的消毒设备及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101910636B1 (ko) 2017-12-19 2018-10-24 (주) 테크로스 전기분해를 이용한 과산화수소 발생 장치
KR101944730B1 (ko) * 2017-09-15 2019-02-01 (주) 테크윈 간편한 전극 체결 구조와 전해액 유동 가이드 구조를 구비한 전기분해장치

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4969981A (en) * 1988-09-19 1990-11-13 H-D Tech Incorporated Cell and method of operating a liquid-gas electrochemical cell
GB9225421D0 (en) * 1992-12-04 1993-01-27 Chemetics Int Electrolytic production of hydrogen peroxide using bipolar membranes
US20090181281A1 (en) * 2008-01-14 2009-07-16 Proton Energy Systems, Inc. Electrochemical cell bipolar plate
EP2677586A1 (en) * 2012-06-20 2013-12-25 Solvay Sa Bipolar electrode and method for producing same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101944730B1 (ko) * 2017-09-15 2019-02-01 (주) 테크윈 간편한 전극 체결 구조와 전해액 유동 가이드 구조를 구비한 전기분해장치
KR101910636B1 (ko) 2017-12-19 2018-10-24 (주) 테크로스 전기분해를 이용한 과산화수소 발생 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20210049454A (ko) 2021-05-06
WO2021080064A1 (ko) 2021-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yang et al. Construction of Synergistic Ni3S2‐MoS2 Nanoheterojunctions on Ni Foam as Bifunctional Electrocatalyst for Hydrogen Evolution Integrated with Biomass Valorization
US9574276B2 (en) Production of low temperature electrolytic hydrogen
US5770033A (en) Methods and apparatus for using gas and liquid phase cathodic depolarizers
CN102869616B (zh) 膜-电极组件、使用该组件的电解池、制备臭氧水的方法和装置、消毒方法以及废水或废液处理方法
Bukas et al. Combining experiment and theory to unravel the mechanism of two-electron oxygen reduction at a selective and active co-catalyst
US5460705A (en) Method and apparatus for electrochemical production of ozone
Uhm et al. Clean hydrogen production from methanol–water solutions via power-saved electrolytic reforming process
US8636880B2 (en) Electrolysis cell for the conversion of cuprous chloride in hydrochloric acid to cupric chloride and hydrogen gas
JP6483111B2 (ja) アルカリ溶液の電解セル
JP2022540545A (ja) モジュール電解槽スタックおよび高圧で、かつ高い変換率で二酸化炭素をガス状生成物に変換するためのプロセス
KR102294907B1 (ko) 과산화수소 생성을 위한 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체
US4921585A (en) Electrolysis cell and method of use
JP2000104189A (ja) 過酸化水素の製造方法及び製造用電解槽
US10273586B2 (en) Electrochemical cell
Hnát et al. Hydrogen production by electrolysis
CN111712593A (zh) 用于电化学转化的无分离器的双gde电解池
Gyenge et al. Electrosynthesis of hydrogen peroxide in acidic solutions by mediated oxygen reduction in a three-phase (aqueous/organic/gaseous) system Part I: Emulsion structure, electrode kinetics and batch electrolysis
CA2868281A1 (en) Electrolysis cell with multiple membranes for cucl/hcl electrolysis in hydrogen production
Wang et al. Sustainable coproduction of two disinfectants via hydroxide-balanced modular electrochemical synthesis using a redox reservoir
Martinez et al. Analysis of a novel chlorine recycling process based on anhydrous HCl oxidation
CN213013120U (zh) 一种电化学氟化串联电解槽
Zhao et al. Low‐Voltage Gaseous HCl Electrolysis with an Iron Redox‐Mediated Cathode for Chlorine Regeneration
Naga Mahesh et al. Studies on noble metal-free carbon-based cathodes for magnesium–hydrogen peroxide fuel cells
Carvela et al. Platinum: A key element in electrode composition for reversible chloralkaline electrochemical cells
Badreldin et al. Stepwise strategies for overcoming limitations of membraneless electrolysis for direct seawater electrolysis

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant