KR102356077B1 - Capacitive deionization module with a series lamination structure possible for minimizes electrode reactions and enables stable operation - Google Patents

Capacitive deionization module with a series lamination structure possible for minimizes electrode reactions and enables stable operation Download PDF

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Abstract

본 발명은 대전원리를 이용한 전극의 직렬적층 구조를 구현함에 있어 전원공급부의 접속단자와 직접적으로 접속되는 전극 간의 접촉저항을 개선하고, 유도대전이 형성되는 내측 전극과 직접대전이 형성되는 최외측 전극의 축전량 분리 설계와 함께 기정의된 최대 허용전하량(MAC)에 따른 공급 전류량의 제한으로 전극반응을 최소화하면서 안정적 운전이 가능한 직렬적층 구조의 축전식 탈염모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 전극이 상호 간극을 형성하며 적층되는 전극부; 및 상기 전극부를 구성하는 전극 중 한 쌍의 최외측 전극에 각각 양전위와 음전위를 공급하여 한 쌍의 최외측 전극 사이에 위치하는 내측 전극들이 유도대전을 통한 간접 대전으로 전위가 공급되도록 하는 전원공급부;를 포함하며, 상기 전극은 전도성 그라파이트 집전체에 활성탄 분말이 코팅되되, 상기 최외측 전극의 활성탄 분말 코팅층이 상기 내측 전극의 활성탄 분말 코팅층보다 1.5 내지 2.0배 두껍게 형성되면서, 최외측 전극의 면적이 상기 내측 전극의 면적보다 10% 이내로 작게 형성되는 것이 특징이다.The present invention improves the contact resistance between the electrode connected directly to the connection terminal of the power supply unit and the inner electrode where induced charging is formed and the outermost electrode where direct charging is formed in implementing a series stacking structure of electrodes using the charging principle It relates to a capacitive desalination module of a series-stacked structure that enables stable operation while minimizing electrode reaction by limiting the amount of supply current according to the predefined maximum allowable charge (MAC) along with the design of separation of the capacitance of the an electrode unit in which electrodes are stacked to form a gap; and a power supply unit for supplying a positive potential and a negative potential to a pair of outermost electrodes among the electrodes constituting the electrode unit, respectively, so that the inner electrodes positioned between the pair of outermost electrodes are supplied with a potential through indirect charging through induction charging; Including, wherein the electrode is coated with activated carbon powder on a conductive graphite current collector, while the activated carbon powder coating layer of the outermost electrode is 1.5 to 2.0 times thicker than the activated carbon powder coating layer of the inner electrode, the area of the outermost electrode is the It is characterized in that it is formed to be smaller than the area of the inner electrode by 10% or less.

Description

전극반응의 최소화와 안정적 운전이 가능한 직렬적층 구조의 축전식 탈염모듈{Capacitive deionization module with a series lamination structure possible for minimizes electrode reactions and enables stable operation}Capacitive deionization module with a series lamination structure possible for minimizes electrode reactions and enables stable operation

본 발명은 직렬적층 구조를 갖는 축전식 탈염모듈에 관한 것으로 보다 상세하게는 대전원리를 이용한 전극의 직렬적층 구조를 구현함에 있어 전원공급부의 접속단자와 직접적으로 접속되는 전극 간의 접촉저항을 개선하고, 유도대전이 형성되는 내측 전극과 직접대전이 형성되는 최외측 전극의 축전량 분리 설계와 함께 기정의된 최대 허용전하량(MAC)에 따른 공급 전류량의 제한으로 전극반응을 최소화하면서 안정적 운전이 가능한 직렬적층 구조의 축전식 탈염모듈에 관한 것이다.The present invention relates to a capacitive desalination module having a series stacked structure, and more particularly, in implementing a series stacked structure of electrodes using the charging principle, the contact resistance between the connection terminal of the power supply and the electrode directly connected thereto is improved, Series stacking that enables stable operation while minimizing electrode reaction by limiting the amount of supply current according to the predefined maximum allowable charge (MAC) along with the design of separating the capacitance of the inner electrode where induced charging is formed and the outermost electrode where direct charging is formed It relates to a capacitive desalination module of the structure.

일반적으로 축전식 탈염(CDI: Capacitive Deionization)기술이라 함은, 다공성 탄소전극소재 계면에 전기이중충(EDL: Electric Double Layer)을 형성하여 수중에 용존되어 있는 이온성 물질을 흡착하여 제거하는 기술이다.In general, capacitive deionization (CDI) technology is a technology that forms an electric double layer (EDL) at the interface of a porous carbon electrode material and absorbs and removes ionic substances dissolved in water. .

즉, 축전식 탈염 기술은 한쌍의 비표면적이 높은 다공성 탄소전극과 선택적 이온교환막(Ion Exchange Membrane) 그리고 유체가 이동할 수 있는 메쉬 스페이서(Mesh Spacer)로 구성된 단위 셀에 이온성 물질이 포함되어 있는 유체를 통과시키고, 탄소전극 표면에 물분해 반응을 포함한 전극반응이 일어나지 않는 범위의 낮은 전위를 공급하여 스페이서를 통해 흐르는 유체에 포함되어 있는 양이온과 음이온이 서로 반대 전하로 대전된 전극 표면으로 정전기적 인력에 의해 이동되어 전극 표면에서 전기 이중층을 형성하며 흡착하게 되는 것이다.That is, the capacitive desalination technology is a fluid containing ionic substances in a unit cell composed of a pair of porous carbon electrodes with a high specific surface area, a selective ion exchange membrane, and a mesh spacer through which the fluid can move. Electrostatic attraction between the positive and negative ions contained in the fluid flowing through the spacer to the surface of the electrode charged with opposite charges It is moved to form an electric double layer on the electrode surface and is adsorbed.

한편 다공성 탄소전극이 가지고 있는 정전용량(Capacitance)을 모두 채워 더 이상 흡착이 일어나지 않으면, 탄소전극에 인가되었던 전위의 공급을 중단하거나 쇼트(short), 또는 흡착과정에서 공급된 전위의 역전(Reverse Charging)을 통해 탄소전극 표면에 흡착되었던 이온이 탈착되어 전극의 재생이 이루어지는 과정을 반복하게 된다.On the other hand, if the porous carbon electrode fills all the capacitance and no more adsorption occurs, the supply of the potential applied to the carbon electrode is stopped or short, or the potential supplied during the adsorption process is reversed (Reverse Charging). ), the ions adsorbed on the surface of the carbon electrode are desorbed, and the process of regeneration of the electrode is repeated.

이러한 축전식 탈염기술은 탄소전극이 적층 구성되는 축전식 탈염모듈로 전원을 공급하는 방식에 따라 도 1a 및 1b에서 각각 도시한 병렬구조방식(A) 및 직렬구조방식(B)으로 구분되는데, 병렬구조방식(A)의 경우 모듈을 구성하는 모든 양전극과 음전극 모두에 접촉 단자를 설치해야 함으로 인해 구조적으로 복잡한 단점이 있다.This capacitive desalination technology is divided into a parallel structure method (A) and a series structure method (B), respectively, shown in FIGS. In the case of the structural method (A), there is a structurally complicated disadvantage because the contact terminals must be installed on both the positive and negative electrodes constituting the module.

그리고 직렬구조방식(b)의 경우는 모듈을 구성하는 다수개의 각각 양전극과 음전극의 양쪽 끝 전극에만 모듈을 구성하는 단위셀에 공급하고자 하는 전위의 총 양을 공급하여 내측부에 있는 유도대전부 전극에 공급된 전위가 분할되는 원리로 모듈을 구성하는 내측 유도대전부의 접촉 단자부가 없어 구조가 매우 단순해지는 장점이 있으나, 다수개의 양전극과 음전극 수에 비례하여 양끝단 외부 전력 공급장치와 직접 접촉하는 최외측 전극부에 일시적으로 매우 높은 전위가 인가됨으로 인해 내부 유도대전 전극부에 비해 다소 높은 전극 전위가 형성되어 전체적으로 전압의 분배 및 불균형이 나타다는 단점이 있다.And in the case of the series structure method (b), the total amount of the potential to be supplied to the unit cells constituting the module is supplied only to the electrodes at both ends of each of a plurality of positive and negative electrodes constituting the module, and to the induction charging electrode located inside the module. There is an advantage in that the structure is very simple because there is no contact terminal part of the inner induction charging part constituting the module on the principle that the supplied potential is divided. Since a very high potential is temporarily applied to the electrode part, a somewhat higher electrode potential is formed compared to the internally induced charging electrode part, so there is a disadvantage in that the voltage distribution and imbalance appear as a whole.

이와 같은 직렬구조방식(B)의 모듈은 앞서 설명한 전압분배 특성으로 인해 외부 전원공급장치(Power Supply)와 직접 접촉되는 최외측 단위 Cell 전극과 단자부는 내부 유도대전 전극 Cell 전극에 비해 높은 전위가 형성되게 되어 내부 유도대전 전극 Cell 대비 접촉단자 전극 Cell에서는 단위전극 Cell의 한계 축전용량에 빨리 도달함으로써 축전식탈염기술(Capacitive Deionization)에서 기피해야 하는 다양한 형태의 전극 반응을 유발할 수 있는 문제점이 발생되게 된다.The module of the series structure method (B) has a higher potential than the internal inductively charged electrode cell electrode in the outermost unit cell electrode and terminal portion that is in direct contact with the external power supply due to the voltage distribution characteristic described above. As compared to the internal inductively charged electrode cell, the contact terminal electrode cell quickly reaches the limit capacitance of the unit electrode cell, thereby causing various types of electrode reactions that should be avoided in capacitive deionization. .

특히, 최외측 전극 Cell의 외부 접촉 단자가 모듈 내부 염수용액과 접촉시 양 끝단의 접촉 단자 대전 전극부의 전극반응이 유발될 위험성이 매우 높으며 이는 모듈 및 전극의 수명을 단축시키고 효율을 저하시키는 원인이 된다. 뿐만 아니라, 기존 병렬구조방식(A)의 모듈에서와 같이 활성탄소 전극이 코팅된 집전체로 주로 사용하고 있는 그라파이트(Graphite)를 단자로 사용시 순간적인 고 전위 형성에 의해 그라파이트 집전체 일부가 산화 손상되거나 물리적 강도가 약한 그라파이트 집전체 접촉부가 파손되기도 하는 문제점을 가지고 있다. In particular, when the external contact terminal of the outermost electrode cell comes into contact with the saline solution inside the module, there is a very high risk that the electrode reaction of the charging electrode part of the contact terminal at both ends is induced, which shortens the life of the module and electrode and reduces the efficiency. do. In addition, when graphite, which is mainly used as a current collector coated with an activated carbon electrode, as in the module of the existing parallel structure method (A), is used as a terminal, a part of the graphite current collector is oxidatively damaged due to instantaneous high potential formation There is also a problem in that the contact portion of the graphite current collector with weak physical strength may be damaged.

또한 전극 접촉 단자로 전기저항이 낮은 구리(Cu: copper) 또는 일반 금속 소재를 적용 시 모듈 내부 용액과의 접촉 또는 내부 수분(Moisture), 공기 중 산소(O2) 성분 등으로 인한 산화 반응으로 형성된 금속산화물층이 전기저항을 오히려 증가시켜 결과적으로 탈염 효율을 저하되는 문제점이 있다.In addition, when copper (Cu: copper) or general metal material with low electrical resistance is applied as the electrode contact terminal, it is formed by contact with the solution inside the module or oxidation reaction caused by internal moisture and oxygen (O 2 ) components in the air. There is a problem in that the metal oxide layer rather increases the electrical resistance and consequently reduces the desalination efficiency.

대한민국 등록특허 제10-1741529호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1741529

따라서 본 발명의 목적은 대전원리를 이용한 전극의 직렬적층 구조를 구현함에 있어 전원공급부의 접속단자와 직접적으로 접속되는 전극 간의 접촉저항을 개선하고, 유도대전이 형성되는 내측 전극과 직접대전이 형성되는 최외측 전극의 축전량 분리 설계와 함께 기정의된 최대 허용전하량(MAC)에 따른 공급 전류량의 제한으로 전극반응의 최소화와 안정적 운전이 가능한 직렬적층 구조의 축전식 탈염모듈을 제공하고자 함이다.Accordingly, an object of the present invention is to improve the contact resistance between the electrode connected directly to the connection terminal of the power supply unit and to improve the contact resistance between the electrode directly connected to the connection terminal of the power supply and the inner electrode where the induced charging is formed in realizing the series stacked structure of the electrodes using the charging principle. The purpose of this is to provide a capacitive desalination module with a series stack structure that can minimize electrode reaction and allow stable operation by limiting the amount of supply current according to the predefined maximum allowable charge (MAC) along with the design of separating the capacitance of the outermost electrode.

상술한 문제점들을 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 전극반응의 최소화와 안정적 운전이 가능한 직렬적층 구조의 축전식 탈염모듈(이하 '본 발명의 모듈'이라 칭함)은, 복수의 전극이 상호 간극을 형성하며 적층되는 전극부; 및 상기 전극부를 구성하는 전극 중 한 쌍의 최외측 전극에 각각 양전위와 음전위를 공급하여 한 쌍의 최외측 전극 사이에 위치하는 내측 전극들이 유도대전을 통한 간접 대전으로 전위가 공급되도록 하는 전원공급부;를 포함하며, 상기 전극은 전도성 그라파이트 집전체에 활성탄 분말이 코팅되되, 상기 최외측 전극의 활성탄 분말 코팅층이 상기 내측 전극의 활성탄 분말 코팅층보다 1.5 내지 2.0배 두껍게 형성되면서, 최외측 전극의 면적이 상기 내측 전극의 면적 대비 90% 이상에서 100% 미만이 되도록 작게 형성되는 것이 특징이다.As a means to solve the above problems, the capacitive desalination module (hereinafter referred to as the 'module of the present invention') having a series stack structure capable of minimizing electrode reaction and stable operation of the present invention, a plurality of electrodes form a mutual gap and stacked electrode units; and a power supply unit for supplying a positive potential and a negative potential to a pair of outermost electrodes among the electrodes constituting the electrode unit, respectively, so that the inner electrodes positioned between the pair of outermost electrodes are supplied with a potential through indirect charging through induction charging; Including, wherein the electrode is coated with activated carbon powder on a conductive graphite current collector, while the activated carbon powder coating layer of the outermost electrode is 1.5 to 2.0 times thicker than the activated carbon powder coating layer of the inner electrode, the area of the outermost electrode is the It is characterized in that it is formed so as to be smaller than 90% to less than 100% of the area of the inner electrode.

하나의 예로써, 상기 전원공급부는, 상기 한 쌍의 최외측 전극에 접속되어 각각 양전위 및 음전위를 공급하기 위한 한 쌍의 접속단자를 포함하며, 상기 접속단자는, 티타늄(Ti) 또는 티타늄에 이리듐(IrO2)이나 류테늄(RuO2)을 포함하는 금속산화물이 코팅된 불용성 소재(DSA : Dimension Stable Anode)로 구성되는 것이 특징이다.As an example, the power supply unit is connected to the pair of outermost electrodes and includes a pair of connection terminals for supplying a positive potential and a negative potential, respectively, and the connection terminal is titanium (Ti) or titanium. It is characterized by being composed of an insoluble material (DSA: Dimension Stable Anode) coated with a metal oxide containing iridium (IrO 2 ) or ruthenium (RuO 2 ).

하나의 예로써, 상기 한 쌍의 접속단자와 한 쌍의 최외측 전극은 카본블랙 또는 전도성 고분자 바인더를 포함하는 전도성 페이스트 접착제에 의해 상호 접합되는 것이 특징이다.As an example, the pair of connection terminals and the pair of outermost electrodes are characterized in that they are bonded to each other by a conductive paste adhesive containing carbon black or a conductive polymer binder.

하나의 예로서, 상기 전원공급부는, 상기 전극부의 전극에 대하여 전극반응이 시작되는 시점까지 충전된 전하량을 최대 허용전하량(MAC ; maximum allowable charge)으로 정의하고, 정의된 최대 허용전하량(MAC) 이하로 전극에 전류가 공급되도록 전류량을 제한하여 공급하는 제어부를 포함하는 것이 특징이다.As an example, the power supply unit defines the amount of charge charged with respect to the electrode of the electrode unit until the start of the electrode reaction as a maximum allowable charge (MAC), and is less than or equal to the defined maximum allowable charge (MAC) It is characterized in that it includes a control unit for supplying by limiting the amount of current so that the current is supplied to the electrode.

상술한 바와 같이 본 발명의 모듈은, 대전원리를 이용한 전극의 직렬적층 구조를 구현함에 있어 전원공급부의 접속단자를 불용성 소재로 구성하면서, 전극부의 최외측 단자 간의 접속을 전도성 페이스트 접착제 의해 이루어지게 함으로써 물리적 접속에 의한 접촉저항의 증가와 그에 따른 전류효율저하 및 활성탄 소재 전극의 손상 유발 등이 방지되어 결과적으로 전극의 내구 수명을 연장시킴과 더불어 접속단자와 최외측 단자 간의 치밀성과 치수안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, in the module of the present invention, the connection terminal of the power supply part is made of an insoluble material in implementing a series stacked structure of electrodes using the charging principle, and the connection between the outermost terminals of the electrode part is made by a conductive paste adhesive. The increase in contact resistance due to physical connection and consequent decrease in current efficiency and damage to the activated carbon electrode are prevented. can have an effect.

또한 내부 전극 대비 최외측 전극의 활성탄 코팅층 두께를 상대적으로 두껍게 형성하여 축전량을 증대시킴으로써, 접속단자와 직접적으로 접속되는 최외측 단자에 순간적으로 인가되는 고전위로 인한 축전용량 초과로부터 발생되는 전극반응을 저감시키고, 그에 다른 소재 손상이 방지되는 효과가 있다.In addition, by forming the activated carbon coating layer of the outermost electrode relatively thick compared to the inner electrode to increase the amount of storage, the electrode reaction generated from the excess of the storage capacity due to the high potential instantaneously applied to the outermost terminal directly connected to the connection terminal is prevented. It has the effect of reducing and preventing damage to other materials.

뿐만 아니라, 기정의된 최대 허용전하량(MAC) 이하로 전극에 전류가 공급되도록 전류량을 제한함으로써 전극반응 없이 모듈을 안정적으로 운전할 수 있는 효과가 있다.In addition, by limiting the amount of current so that the current is supplied to the electrode below the predefined maximum allowable charge (MAC), there is an effect that the module can be operated stably without electrode reaction.

도 1a 및 도 1b는 종래 축전식 탈염모듈의 병렬구조방식과 직렬구조방식을 각각 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 접속단자와 최외측 단자 간의 접촉 구조를 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 최외측 단자와 내측 단자 간의 활성탄 분말 코팅층을 대비하는 도면.
1A and 1B are diagrams showing a parallel structure method and a series structure method of a conventional capacitive desalination module, respectively.
2 is a view showing a contact structure between a connection terminal and an outermost terminal according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a view comparing the activated carbon powder coating layer between the outermost terminal and the inner terminal according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the present invention will be described in more detail based on the accompanying drawings. In describing the present invention, the terms or words used in the present specification and claims are based on the principle that the inventor can appropriately define the concept of the term in order to best describe his or her invention. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of

본 발명의 모듈은 복수의 전극이 상호 간극(100, 110)을 형성하며 적층되는 전극부(10) 및 상기 전극부(10)를 구성하는 전극(100, 110) 중 한 쌍의 최외측 전극(100)에 각각 양전위와 음전위를 공급하여 한 쌍의 최외측 전극(100) 사이에 위치하는 내측 전극(110)들이 유도대전을 통한 간접 대전으로 전위가 공급되도록 하는 전원공급부(20)를 포함한다.The module of the present invention includes an electrode part 10 in which a plurality of electrodes are stacked to form a mutual gap 100, 110 and a pair of outermost electrodes among the electrodes 100 and 110 constituting the electrode part 10 ( 100) by supplying a positive potential and a negative potential to the inner electrodes 110 positioned between the pair of outermost electrodes 100, respectively.

즉 본 발명의 모듈은 상기 전극부(10)의 적층 구조와 상기 전원공급복수(20)의 직렬 전원 공급 방식에 따른 대전 원리를 이용하여 이온을 탈착하는 탈염 과정을 수행하는 것이다.That is, the module of the present invention performs a desalting process of desorption of ions using the charging principle according to the stacked structure of the electrode part 10 and the serial power supply method of the plurality of power supplies 20 .

본 발명은 이하에서는 설명하는 실시 예들을 통해 직렬 구조 전원 공급 방식 특성 상 발생할 수 있는 전압의 분배 불균형과 그에 따른 내구성 저하 문제는 물론 전원공급부와 직접적으로 접속되는 최외측 전극(100)의 전극반응 유발 문제 등이 개선될 수 있도록 한다.The present invention induces an electrode reaction of the outermost electrode 100 directly connected to the power supply unit as well as a voltage distribution imbalance that may occur due to the characteristics of a series structure power supply method and a consequent deterioration in durability through the embodiments to be described below. so that the problem can be improved.

먼저 본 발명의 일 실시 예에 따른 모듈은 전원공급부(20)로부터 전원을 공급받게 되는 한 쌍의 최외측 전극(100)과 상기 한 쌍의 최외측 전극(100) 사이의 내부 전극(110) 간 전위차 불균형에 의해 발생되는 최외측 전극(100)의 빠른 한계 축전량 도달에 따른 전극 반응과 소재 손상을 방지할 수 있도록 최외측 전극(100)의 활성탄 코팅층이 상대적으로 두껍게 형성된다.First, in the module according to an embodiment of the present invention, a pair of outermost electrodes 100 receiving power from the power supply unit 20 and an internal electrode 110 between the pair of outermost electrodes 100 are provided. The activated carbon coating layer of the outermost electrode 100 is formed to be relatively thick so as to prevent electrode reaction and material damage caused by the rapid reaching of the limit capacitance of the outermost electrode 100 caused by the potential difference imbalance.

즉 내부 전극(110)과 달리 최외측 전극(100)의 활성탄 코팅을 증가시켜 단위 전극의 축전량을 증대시킨 전극으로 사용함으로써, 상기 전원공급부(20)의 접속단자(200)와 직접적으로 접촉되는 최외측 전극(100)에 순간적으로 인가되는 고전위로 인한 축전용량 초과와 그에 따른 전극반응이 저감될 수 있도록 하는 것이다.That is, unlike the internal electrode 110, by increasing the activated carbon coating of the outermost electrode 100 and using it as an electrode with an increased power storage amount of the unit electrode, it is in direct contact with the connection terminal 200 of the power supply unit 20 This is to reduce the excess of the capacitance due to the high potential instantaneously applied to the outermost electrode 100 and the electrode reaction resulting therefrom.

여기서 본 발명에 있어 상기 전극(100, 110)은 도 3에 도시된 바와 같이 전도성 그라파이트 집전체(120)에 활성탄 분말(130)이 코팅된 것일 수 있으며, 이때 상기 최외측 전극(100)의 활성탄 분말 코팅층이 상기 내측 전극(110)의 활성탄 분말 코팅층보다 1.5 내지 2.0배 두껍게 형성되는 것이 바람직하다.Here, in the present invention, the electrodes 100 and 110 may be a conductive graphite current collector 120 coated with activated carbon powder 130 as shown in FIG. 3 , and in this case, the activated carbon of the outermost electrode 100 . It is preferable that the powder coating layer be formed to be 1.5 to 2.0 times thicker than the activated carbon powder coating layer of the inner electrode 110 .

일 예로 그라파이트 집전체(120)의 두께(b)가 약 250 um일 경우, 그라파이트 집전체(b) 양면에 위치하는 활성탄 분말(130)의 두께(a, a1)를 약 200 ~ 250 um로 코팅하여 유도 대전용 내부 전극(110)을 제작하며, 직접 대전으로 사용되는 최외측 전극(100)은 상기 내부 전극(110)과 달리 활성탄 분말(130)의 단면만 약 500 um의 두께(a2)로 코팅하여 축전 용량을 2배 내,외로 증가시키게 됨으로써, 축전용량 초과에 따른 전극반응이 최소화될 수 있도록 하는 것이다.For example, when the thickness (b) of the graphite current collector 120 is about 250 um, the thickness (a, a1) of the activated carbon powder 130 positioned on both sides of the graphite current collector (b) is coated with about 200 to 250 um. Thus, the inner electrode 110 for induction charging is manufactured, and the outermost electrode 100 used for direct charging differs from the internal electrode 110 with only the cross section of the activated carbon powder 130 having a thickness of about 500 μm (a2). By coating to increase the storage capacity by two times, the electrode reaction due to the excess of the storage capacity can be minimized.

이에 더하여 상기 최외측 전극(100)의 전체 면적(c2)은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 내측 전극(110)의 면적(c1) 대비 90% 이상에서 100% 미만이 되도록 작게 형성되는 것이 바람직한 바, 이는 상기 전원공급부(20)의 접속단자(200)와 직접적으로 접촉되는 최외측 전극(100)에 인가되는 고전위로 인하여 내부 유도대전 전극 대비 상대적으로 큰 타원형의 전기장이 형성되기 때문에 최외측 전극(100)에서 형성된 전기장으로 인한 인접 유도대전 전극의 전기장 간섭 영향을 최소화하면서도 유도 대전이 이루어지는 내부 전극(110) 간에 전위 전달의 불균형이 최소화될 수 있도록 하기 위함이다.In addition, the total area c2 of the outermost electrode 100 is preferably formed to be smaller than 90% to less than 100% of the area c1 of the inner electrode 110 as shown in FIG. 3 . , which is due to the high potential applied to the outermost electrode 100 that is in direct contact with the connection terminal 200 of the power supply unit 20, a relatively large elliptical electric field is formed compared to the internal induced charging electrode, so the outermost electrode ( This is to minimize the effect of electric field interference of adjacent inductively charged electrodes due to the electric field formed in 100) while minimizing the imbalance in potential transfer between the internal electrodes 110 where inductive charging is made.

한편 상기 전원공급부(20)는 상기 한 쌍의 최외측 전극(100)에 접속되어 각각 양전위 및 음전위를 공급하기 위한 한 쌍의 접속단자(200)를 포함한다.Meanwhile, the power supply unit 20 is connected to the pair of outermost electrodes 100 and includes a pair of connection terminals 200 for supplying a positive potential and a negative potential, respectively.

상기 접속단자(200)의 경우 물 또는 대기 중의 산소와 일정부분 접촉이 있더라도 산화와 부식반응이 유발되지 않는 소재를 갖는 것이 바람직하다.In the case of the connection terminal 200, it is preferable to have a material that does not cause oxidation and corrosion reaction even if there is a partial contact with water or oxygen in the atmosphere.

예를 들면 상기 접속단자(200)는 티타늄(Ti) 또는 이리듐(IrO2)이나 류테늄(RuO2) 등을 포함하는 금속산화물(201)이 코팅된 불용성 소재(DSA : Dimension Stable Anode)로 구성함으로써 치수 안정성이 높고 화학적으로나 전기화학적으로 용해되지 않는 특성을 가질 수 있도록 하는 것이다.For example, the connection terminal 200 is made of an insoluble material (DSA: Dimension Stable Anode) coated with a metal oxide 201 containing titanium (Ti) or iridium (IrO 2 ) or ruthenium (RuO 2 ). By doing so, it is possible to have high dimensional stability and not to dissolve chemically or electrochemically.

뿐만 아니라 상기 접속단자(200)와 직접적으로 연결되는 최외측 단자(100) 간에 접촉저항을 최소화하기 위해 상기 최외측 단자(100)의 그라파이트 집전체(120)와 접속단자(200)를 전도성 바인더를 이용하여 접합한 접속 방식을 적용한다.In addition, in order to minimize contact resistance between the outermost terminal 100 directly connected to the connecting terminal 200, the graphite current collector 120 of the outermost terminal 100 and the connecting terminal 200 are combined with a conductive binder. The connected connection method is applied.

도 2를 참조하면, 상기 한 쌍의 접속단자(200)와 한 쌍의 최외측 전극(100)은 카본블랙 또는 전도성 고분자 바인더를 포함하는 전도성 페이스트 접착제(202)에 의해 상호 접합된다.Referring to FIG. 2 , the pair of connection terminals 200 and the pair of outermost electrodes 100 are interconnected by a conductive paste adhesive 202 containing carbon black or a conductive polymer binder.

이때 상기 접속단자(200)의 경우 전극부(10)를 감싸도록 구성되는 케이싱(30)을 완전히 관통하여 최외측 전극(100)에 접속되는 것이 아니라, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 케이싱(30)은 상기 접속단자(200)가 삽입될 수 있는 삽입통로를 마련하면서 상기 최외측 전극(100)과 대면하는 부위에 삽입통로와 연통하는 홈부를 형성하며 홈부에 상기 전도성 페이스트 접착제(202)가 충진되게 함으로써, 상기 접속단자(200)가 케이싱(30)의 내부에 직접적으로 노출되는 것이 방지되게 한다.At this time, in the case of the connection terminal 200 , it is not connected to the outermost electrode 100 by completely penetrating the casing 30 configured to surround the electrode part 10 , but as shown in FIG. 2 , the casing 30 ) forms a groove in communication with the insertion passage in a portion facing the outermost electrode 100 while providing an insertion passage through which the connection terminal 200 can be inserted, and the conductive paste adhesive 202 is filled in the groove By doing so, the connection terminal 200 is prevented from being directly exposed to the inside of the casing 30 .

이처럼 본 발명의 모듈은, 최외측 전극(100)에 금속소재의 접속단자(200)를 물리적으로 대면 접촉하여 사용 시 물리적 접촉저항의 증가에 의한 전류 효율 저하와 지속적인 저항으로 인한 활성탄 소재 전극의 손상 유발 같은 문제점을 해결하기 위해 접속단자(200)를 불용성 소재 단자로 구성함과 더불어 상기 최외측 전극(100) 사이에 전도성 페이스트 접착제를 사용하여 접지 저항을 감소시킬 뿐 아니라, 접속단자(200)와 최외측 단자(100) 간의 치밀성과 치수안정성을 높일 수 있게 되는 것이다.As such, when the module of the present invention physically contacts the metal connection terminal 200 to the outermost electrode 100 and uses it, current efficiency decreases due to an increase in physical contact resistance and damage to the activated carbon material electrode due to continuous resistance In order to solve problems such as induced, the connection terminal 200 is made of an insoluble material terminal and a conductive paste adhesive is used between the outermost electrode 100 to reduce the grounding resistance, as well as to the connection terminal 200 and It is possible to increase the compactness and dimensional stability between the outermost terminals 100 .

한편 본 발명의 일 실시 예에 따른 전원공급부(20)는 상기 전극부의 전극에 대하여 전극반응이 시작되는 시점까지 충전된 전하량을 최대 허용전하량(MAC ; maximum allowable charge)으로 정의하고, 정의된 최대 허용전하량(MAC) 이하로 전극에 전류가 공급되도록 전류량을 제한하여 공급하는 제어부를 포함하는 것이 특징이다.On the other hand, the power supply unit 20 according to an embodiment of the present invention defines the amount of charge charged to the electrode of the electrode unit until the start of the electrode reaction as a maximum allowable charge (MAC), and the defined maximum allowable charge. It is characterized in that it includes a control unit for supplying by limiting the amount of current so that the current is supplied to the electrode less than the amount of charge (MAC).

통상적으로 축전식 탈염기술에서 탄소전극의 전극전위는 셀에 공급된 전하량에 비례하며 전극전위가 일정한 수준에 도달하면 전극반응이 시작되는 것으로 알려져 있으며, 이때까지 충전된 전하량을 최대 허용전하량(MAC)이라고 한다. In general, in capacitive desalination technology, the electrode potential of the carbon electrode is proportional to the amount of charge supplied to the cell, and it is known that the electrode reaction starts when the electrode potential reaches a certain level. It is said

축전식 탄소전극 셀에서 전극반응은 셀의 구성요소나 운전조건에 관계없이 최대 허용전하량(MAC) 이상의 전하가 공급될 때 진행되는 바, 최대 허용전하량(MAC) 이내의 전하만 공급된다면 전극반응 없이 안정하게 운전할 수 있으므로 유입수 농도 대비 단위전극 축전량을 초과하는 전류가 공급되지 않도록 유입수 농도에 따른 최대 허용 전류량을 직렬구조 모듈을 구성하는 단위전극 수량으로 나눈 단위전극 최대 허용전하량(MAC) 이하로 최외측 전극(100)에 전류가 공급되도록 전류량 제한(Current Limit)을 적용하여 모듈을 운전함으로써 전극반응 없이 모듈의 안정적인 운전이 가능해지도록 하는 것이다.In a capacitive carbon electrode cell, the electrode reaction proceeds when a charge greater than the maximum allowable charge (MAC) is supplied regardless of cell components or operating conditions. Since it can be operated stably, the maximum allowable current according to the influent concentration is divided by the number of unit electrodes constituting the series module so that the current that exceeds the unit electrode’s capacity compared to the influent concentration is not supplied. This is to enable stable operation of the module without electrode reaction by operating the module by applying a current limit so that current is supplied to the outer electrode 100 .

즉, 본 실시 예의 제어부에서는 전극 반응이 시작될 때까지 충전된 전하량을 최대 허용전하량(MAC)으로 정의하고, 정의된 최대 허용전하량(MAC) 이내에서 총 전하를 기준으로 모듈을 운전함으로써 셀 전위에 관계없이 전극반응에 안정적으로 운전될 수 있도록 하는 것이다.That is, in the control unit of this embodiment, the amount of charge charged until the start of the electrode reaction is defined as the maximum allowable charge amount (MAC), and the cell potential is related by operating the module based on the total charge within the defined maximum allowable charge amount (MAC). This is to ensure that the electrode can be operated stably without any electrode reaction.

여기서 전극의 전극반응이 시작되는 시점은 공지 기술을 통해 다양하게 실시될 수 있다.Here, the timing at which the electrode reaction of the electrode starts may be variously performed through known techniques.

일 예로 전극반응 시점을 보다 신뢰도 있게 파악하기 위하여 전극의 흡착과정 동안 순간전하효율과 pH 변화를 통해 전극의 전극반응이 시작되는 시점을 파악할 수 있으며, 이 시점까지 충전된 전하량을 최대 허용전하량(MAC)으로 산출 및 정의할 수 있다.For example, in order to more reliably determine the timing of the electrode reaction, the point at which the electrode reaction of the electrode starts can be identified through the instantaneous charge efficiency and pH change during the electrode adsorption process, and the amount of charge charged up to this point is set to the maximum allowable charge (MAC). ) can be calculated and defined.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.Those skilled in the art from the above description will be able to see that various changes and modifications are possible without departing from the technical spirit of the present invention. Accordingly, the technical scope of the present invention should not be limited to the content described in the detailed description of the specification, but should be defined by the claims.

10 : 전극부 20 : 전원공급부
30 : 케이싱 100 : 최외측 전극
110 : 내부 전극 120 : 그라파이트 집전체
130 : 활성탄 분말 200 : 접속단자
10: electrode unit 20: power supply unit
30: casing 100: outermost electrode
110: internal electrode 120: graphite current collector
130: activated carbon powder 200: connection terminal

Claims (4)

복수의 전극이 상호 간극을 형성하며 적층되는 전극부; 및
상기 전극부를 구성하는 전극 중 한 쌍의 최외측 전극에 각각 양전위와 음전위를 공급하여 한 쌍의 최외측 전극 사이에 위치하는 내측 전극들이 유도대전을 통한 간접 대전으로 전위가 공급되도록 하는 전원공급부;를 포함하며,
상기 전극은 전도성 그라파이트 집전체에 활성탄 분말이 코팅되되, 상기 최외측 전극의 활성탄 분말 코팅층이 상기 내측 전극의 활성탄 분말 코팅층보다 1.5 내지 2.0배 두껍게 형성되면서, 최외측 전극의 면적이 상기 내측 전극의 면적 대비 90% 이상에서 100% 미만이 되도록 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 전극반응의 최소화와 안정적 운전이 가능한 직렬적층 구조의 축전식 탈염모듈.
an electrode part in which a plurality of electrodes are stacked to form a gap; and
A power supply unit for supplying a positive potential and a negative potential to a pair of outermost electrodes among the electrodes constituting the electrode part, respectively, so that the inner electrodes positioned between the pair of outermost electrodes are supplied with an electric potential by indirect charging through induction charging; includes,
The electrode is coated with activated carbon powder on a conductive graphite current collector, while the activated carbon powder coating layer of the outermost electrode is 1.5 to 2.0 times thicker than the activated carbon powder coating layer of the inner electrode, the area of the outermost electrode is the area of the inner electrode Capacitive desalination module of series-stacked structure capable of minimizing electrode reaction and stable operation, characterized in that it is formed as small as 90% or more to less than 100% of the comparison.
제 1항에 있어서,
상기 전원공급부는,
상기 한 쌍의 최외측 전극에 접속되어 각각 양전위 및 음전위를 공급하기 위한 한 쌍의 접속단자를 포함하며,
상기 접속단자는,
티타늄(Ti) 또는 티타늄에 이리듐(IrO2)이나 류테늄(RuO2)을 포함하는 금속산화물이 코팅된 불용성 소재(DSA : Dimension Stable Anode)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전극반응의 최소화와 안정적 운전이 가능한 직렬적층 구조의 축전식 탈염모듈.
The method of claim 1,
The power supply unit,
and a pair of connection terminals connected to the pair of outermost electrodes to respectively supply positive and negative potentials,
The connection terminal is
Minimization of electrode reaction and stable operation characterized in that it is composed of an insoluble material (DSA: Dimension Stable Anode) coated with a metal oxide containing titanium (Ti) or titanium with iridium (IrO 2 ) or ruthenium (RuO 2 ) Capacitive desalination module of series stacked structure.
제 2항에 있어서,
상기 한 쌍의 접속단자와 한 쌍의 최외측 전극은 카본블랙 또는 전도성 고분자 바인더를 포함하는 전도성 페이스트 접착제에 의해 상호 접합되는 것을 특징으로 하는 전극반응의 최소화와 안정적 운전이 가능한 직렬적층 구조의 축전식 탈염모듈.
3. The method of claim 2,
The pair of connection terminals and the pair of outermost electrodes are connected to each other by a conductive paste adhesive containing carbon black or a conductive polymer binder. desalination module.
제 1항에 있어서,
상기 전원공급부는,
상기 전극부의 전극에 대하여 전극반응이 시작되는 시점까지 충전된 전하량을 최대 허용전하량(MAC ; maximum allowable charge)으로 정의하고, 정의된 최대 허용전하량(MAC) 이하로 전극에 전류가 공급되도록 전류량을 제한하여 공급하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극반응의 최소화와 안정적 운전이 가능한 직렬적층 구조의 축전식 탈염모듈.
The method of claim 1,
The power supply unit,
The amount of charge charged to the electrode of the electrode part until the start of the electrode reaction is defined as maximum allowable charge (MAC), and the amount of current is limited so that the current is supplied to the electrode below the defined maximum allowable charge (MAC). A capacitive desalination module of a series stack structure capable of minimizing electrode reaction and stable operation, characterized in that it includes a control unit for supplying it.
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