KR102378078B1 - 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택 - Google Patents

고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라스틱 CNT 복합소재 및 귀금속 소재로 제조된 물 전기분해용 전극촉매 셀스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극촉매의 면을 타원 곡면으로 형성하여 유속의 차이를 이용해 물 전기분해시 셀스택 표면에 부착될 수 있는 수소(H2), 산소(O2) 가스를 제거함으로써 인가 전원 대비 기포로 인한 에너지 손실을 최소화시키고 효율을 상승시킬 수 있는 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택에 관한 것이다.
본 발명은, 판 형상으로 이루어진 전극촉매를 일정한 간격으로 복수 개 연속 구비하되, 상기 전극촉매는, 일면 중앙에 곡면 돌출부가 볼록하게 돌출 형성된 일면 중앙 돌출형, 일면 상부에 곡면 돌출부가 볼록하게 돌출 형성된 일면 상부 돌출형, 일면 하부에 곡면 돌출부가 볼록하게 돌출 형성된 일면 하부 돌출형, 양면 중앙에 곡면 돌출부가 볼록하게 돌출 형성된 양면 중앙 돌출형, 양면 상부에 곡면 돌출부가 볼록하게 돌출 형성된 양면 상부 돌출형, 양면 하부에 곡면 돌출부가 볼록하게 돌출 형성된 양면 하부 돌출형 중 택 1종이 사용된다.

Description

고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택{Electrocatalyst for Electrolysis}
본 발명은 플라스틱 CNT 복합소재 및 귀금속 소재로 제조된 물 전기분해용 전극촉매 셀스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전극촉매의 면을 타원 곡면으로 형성하여 유속의 차이를 이용해 물 전기분해시 셀스택 표면에 부착될 수 있는 수소(H2), 산소(O2) 가스를 제거함으로써 인가 전원 대비 기포로 인한 에너지 손실을 최소화시키고 효율을 상승시킬 수 있는 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택에 관한 것이다.
경제적이고 효율적인 물 전기분해용 전극촉매 소재 개발은 많은 연구기관과 학계, 산업계에서 개발을 하여 왔다. 또한, 전극촉매 소재로 사용되는 것은 많이 있으나 고가의 귀금속(백금, 이리듐, 루테늄 外)은 생산량의 한계가 있었고, 플라스틱 CNT 복합소재 및 그래핀 소재는 대부분 저함량에 코팅용 위주로 개발되어 왔다.
종래의 물 전기분해용 전극촉매는 금속 또는 귀금속으로 다양한 두께의 판 시트형태를 제관하여 백금, 루테늄, 이리듐을 Ti(티타늄)에 0.5 ~ 8㎛ 두께로 코팅하여 사용하였으나,
물 전기분해시 발생된 수소, 산소 기포층과 물속의 Mg, K, Ca, Na, Fe 등이 환원전극(-극) 표면에 고착화 되는 현상에 의해 전해질과 전극 간의 접촉 면적이 줄어 전기분해 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
KR 등록특허 제10-1978380호(2019.05.08) KR 등록특허 제10-1902859호(2018.09.20) KR 등록실용신안 제20-0342518호(2004.02.09)
본 발명은 종래와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안한 것으로, 소재적인 측면의 한계를 극복하기 위해 전극촉매에 기구 설계 관점에서 개발하여 동일한 전기 에너지 인가시 고효율에 성능을 얻을 수 있는 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택은,
판 형상으로 이루어진 전극촉매를 일정한 간격으로 복수 개 연속 구비하되,
상기 전극촉매는,
일면 중앙에 곡면 돌출부가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 일면 중앙 돌출형,
일면 상부에 곡면 돌출부가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 일면 상부 돌출형,
일면 하부에 곡면 돌출부가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 일면 하부 돌출형,
양면 중앙에 곡면 돌출부가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 양면 중앙 돌출형,
양면 상부에 곡면 돌출부가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 양면 상부 돌출형,
양면 하부에 곡면 돌출부가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 양면 하부 돌출형 중 택 1종이 사용됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극촉매 사이에는 평면 형태의 평면형 전극촉매가 각각 구비됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극촉매는 티타늄(Ti) 소재를 곡면 형태의 틀에서 용융 성형하거나, 티타늄 소재의 재료를 곡면 형태로 절삭 가공하고, 백금, 루테늄, 이리듐 중 택 1 또는 택 2종 이상의 촉매를 0.5 ~ 8㎛ 두께로 코팅한 것임을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극촉매는 PP, PE, SEbs, PC, ABS, PA66, PET, SAN의 열가소성 소재 중 택 1 된 소재에 Al, Cu, Fe, 페라이트, Ti, 그래핀 중 택 1종 이상의 소재와 CNT가 첨가되어 표면 저항이 0.5Ω/□(오옴) 이하인 플라스틱 CNT 복합소재임을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극촉매는 단부의 두께가 0.5 ~ 8mm일때, 곡면 돌출부는 단부로부터 0.5 ~ 2mm 두께로 돌출됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 전극촉매는 이웃한 전극촉매와의 간격이 곡면 돌출부 기준으로 0.2 ~ 2.2mm, 단부의 간격은 0.7 ~ 4.2mm임을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택은 서로 마주보는 면이 타원 곡면 형태로 개선됨에 따라 양력 발생으로 인해 물 전기분해시 발생된 수소, 산소 가스 및 물의 대류 현상을 가속화시켜 셀스택 표면에 기포가 부착되지 않아 동일한 전기 에너지 대비 고효율의 성능을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 물 전기분해용 전극촉매를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 물 전기 분해용 전극촉매를 도시한 측면도.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 물 전기분해용 전극촉매의 형상을 도시한 예시도.
도 8, 9은 본 발명에 따른 물 전기분해용 전극촉매 셀스택의 구조를 도시한 예시도.
도 10, 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 물 전기분해용 전극촉매 셀스택의 구조를 도시한 예시도.
도 12는 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 물 전기분해용 전극촉매 셀스택의 구조를 도시한 예시도.
이하, 본 발명에 따른 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 물 전기분해용 전극촉매를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 물 전기 분해용 전극촉매를 도시한 측면도이며, 도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 물 전기분해용 전극촉매의 형상을 도시한 예시도이고, 도 8, 9는 본 발명에 따른 물 전기분해용 전극촉매 셀스택을 도시한 예시도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 물 전기분해용 전극촉매 셀스택(100)은 판 형상으로 이루어진 전극촉매(10)를 일정한 간격으로 복수 개 연속 구비하여 이루어진다.
상기 전극촉매(10)는 일면 또는 양면에 곡면 돌출부(11)가 돌출 형성된다. 여기서 곡면 돌출부(11)가 돌출되는 위치는 여러 형태로 이루어질 수 있다. 즉, 도 1, 2에 도시된 바와 같이 전극촉매(10)의 일면 중앙에 곡면 돌출부가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 일면 중앙 돌출형(10a), 도 3에 도시된 바와 같이 전극촉매(10)의 일면 상부에 곡면 돌출부(11)가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 일면 상부 돌출형(10b), 도 4에 도시된 바와 같이 전극촉매(10)의 일면 하부에 곡면 돌출부(11)가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 일면 하부 돌출형(10c), 도 5에 도시된 바와 같이 전극촉매(10)의 양면 중앙에 곡면 돌출부(11)가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 양면 중앙 돌출형(10d), 도 6에 도시된 바와 같이 전극촉매(10)의 양면 상부에 곡면 돌출부(11)가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 양면 상부 돌출형(10e), 도 7에 도시된 바와 같이 양면 하부에 곡면 돌출부(11)가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 양면 하부 돌출형(10f)으로 형성될 수 있다.
상기 곡면 돌출부(11)는 상단부터 하단까지 유선형의 곡면을 형성하되, 가장 많이 돌출되는 부분의 위치를 달리할 수 있는 것이다. 이와 같이 곡면 돌출부(11)가 유선형으로 형성되므로 양력 발생으로 인해 대류 현상을 가속화시켜 전극촉매(10) 표면으로 기포가 달라붙지 않게 된다. 결국, 기포가 부착되지 않음으로써 물과 접촉되는 전극촉매(10)의 표면적을 그대로 유지하여 고효율의 성능을 유지할 수 있다.
또한, 유선형의 곡면 돌출부(11)에 의해 전해수가 전극촉매(10)의 표면을 모두 접촉하며 가속화되어 전극촉매(10) 표면에 기포가 부착되더라도 가속화되는 대류 현상에 의해 금방 탈락된다.
이러한 전극촉매(10)는 티타늄(Ti) 소재 또는 플라스틱 CNT 소재를 이용하여 성형한다.
전극촉매(10)를 티타늄 소재로 이용할 경우 티타늄 소재를 곡면 형태의 틀에서 용융 성형하거나, 티타늄 소재의 재료를 곡면 형태로 절삭 가공한다. 그리고 백금, 루테늄, 이리듐 중 택 1 또는 택 2종 이상의 금속 또는 귀금속 촉매(15)를 0.5 ~ 8㎛ 두께로 코팅한다. 코팅의 두께는 용도 및 전기분해시간, 용량에 따라 다르게 할 수 있다.
전극촉매(10)를 플라스틱 CNT 소재로 이용할 경우 PP, PE, SEBS, PC, ABS, PA66, PET, SAN 등의 열가소성 소재 중 택 1된 소재를 사용 할 수 있으나, 바람직하게는 내화학성이 우수한 PP, PE, SEbs 중 택 1 된 소재와 Al, Cu, Fe, Ti, 페라이트, 그레핀 중 택 1종 이상의 소재와 CNT가 첨가된 복합소재로 표면 저항이 0.5Ω/□(오옴) 이하인 플라스틱 CNT 복합소재를 이용한다. 또한, 자성체 특성이 있는 소재로 컴파운딩 압출된 펠렛 상의 소재를 사출 성형하여 셀스택을 제조하여 사용할 수 있다. 금속계 소재보다 플라스틱 CNT 복합소재가 경제적이고 성형의 편리성과 자유로운 디자인이 가능하므로 플라스틱 CNT 복합소재 사용함이 바람직하다.
상기 CNT는 MW CNT를 사용하고, 도면 설계된 형상에 맞게 금형을 제작하여 사출기 스크류 온도 210 ~ 250℃로 전극촉매 셀스택을 제조한다. 도 2에 도시된 바와 같이 전극촉매(10)의 두께는 0.5 ~ 8mm로 하되, 곡면 돌출부(11)와 상하 끝선의 두께 차이는 0.5 ~ 2mm로 한다. 물론, 용도와 전기분해 시간, 용량에 따라 다르게 할 수 있음을 밝혀둔다. 여기서 전극촉매의 곡면 돌출부의 돌출 정도가 2mm이상이면 전기분해의 기능이 저하될 수 있고, 0.5mm 이하가 되면 곡면 부분이 완만하여 대류 및 발생 수소, 산소 가스의 흐름이 저하되어 효능이 저감될 수 있다.
더욱 상세하게는 도 3에 도시된 바와 같이 전극촉매(10)의 곡면 돌출부(11) 두께가 6mm이면 상하 끝의 두께는 5.5 ~ 4mm로 한다. 따라서, 상하 끝의 두께가 5.5mm일 때는 0.5mm의 편차, 상하 끝의 두께가 5mm일 때는 1mm의편차, 4mm일 때는 2mm 편차가 되도록 형성한다.
이러한 형상으로 이루어진 전극촉매(10)를 수직형태로 세워 측 방향으로 다수 설치하여 셀스텍(100)을 형성한다. 이때, 전극촉매(10)의 배열은 도 8, 9에 도시된 바와 같이 전극촉매(10)의 형상에 따라 여러 형태로 배열할 수 있다. 전극촉매(10)를 수평 형태로 설치하면 목적한 기능이 상실될 수 있으므로 수직 형태로 세워서 설치한다.
상기 셀스택(100)은 도 8에 도시된 바와 같이 이웃한 전극촉매(10)와의 간격이 곡면 돌출부(11) 기준으로 0.2 ~ 2.2mm일때, 단부의 간격은 0.7 ~ 4.2mm가 되도록 한다. 바람직하게는 물 전기분해시 곡면 돌출부(11)의 간격이 2mm일 경우 전극촉매(10)의 상하 끝부분 간격을 2mm로 하되 상하 끝부분의 간격이 3mm이상이 되면 효능이 떨어질 수 있다.
그리고 도 10, 11에 도시된 바와 같이 각각의 전극촉매(10) 사이에 양면이 평면 형태를 가지는 평면형 전극촉매(10g)가 각각 구비될 수 있고, 금속계 전극촉매와 플라스틱 CNT 복합소재 전극촉매를 혼용하여 사용할 수도 있다.
도 12는 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 물 전기분해용 전극촉매 셀스택의 구조를 도시한 예시도로서, 도면에 도시된 바와 같이 상기 전극촉매(10)의 일면 또는 양면에 수직의 요홈(12)을 형성한다. 상기 요홈(12)은 사각, 삼각, 반원 등의 단면으로 이루어지며, 여러 줄 형성한다.
이러한 요홈(12)이 형성된 구간에서는 저기압 상태가 되어 유속이 빨라지고, 이로 인해 전극촉매(10) 표면으로 기포가 달라붙지 않게 되며, 동일한 크기의 셀스택 대비 물과 접촉되는 표면적이 넓어져 효율이 더욱 좋아진다. 결국, 기포가 부착되지 않음으로써 물과 접촉되는 전극촉매(10)의 표면적을 그대로 유지하여 고효율의 성능을 유지할 수 있다.
이러한 구조뢰 이루어진 물 전기분해 전극촉매 셀스택(100)은 산업계, 세척시장, 생활가전, 수소산소 발생기, 수소 자동차 등 연료 저감기와 같이 다양한 분야에 적용이 가능하며 수소 에너지 시장에 큰 도움이 된다.
[실험 1] 물 전기분해량 테스트
A. 플라스틱 CNT 복합소재를 사출기 스크류 온도 210℃ ~ 250℃로 사출 성형하여 표면저항이 0.5Ω/□(오옴)인 전극촉매를 제조하되, 가로 100mm, 세로 100mm, 곡면 돌출부 두께 6mm, 상하 끝의 두께 5mm로 형성된 전극촉매 셀스택.
B. 상기 소재를 가로 100mm, 세로 100mm, 두께 6mm로 평면 사출하여 비교 실험.
C. 상기 A조건의 전극촉매를 도 3의 형상으로 제조하고, 도 7의 형태로 배열하되, 전극촉매의 상하 끝 선 간격을 2mm, 곡면 돌출부의 돌출 정도는 1mm가 되도록 병렬로 전극봉을 연결하여 전극촉매를 3장 조립한 셀스택.
D. 상기 B조건의 전극촉매 3장을 병렬로 전극봉을 연결하고, 전극촉매의 간격을 2mm 조립한 셀스택.
실험 조건 : 상기 셀스택을 절연 용기 물(TDS 110 물 온도 23℃) 8,000g에 투입한 후 DC 12V를 인가하여 전기분해량을 측정한다.
Test DC 12V인가시 물 온도 23℃
전류(A) 전기분해 된( H₂/O₂) 증발량(g)
10분 후 20분 후 30분 후 분당 평균 60분 후 물 온도
C 2.57A 2.61 5.31 8.12 0.26g 32.4℃
D 1.62A 1.74 3.49 5.24 0.17g 27.1℃
상기 데이터는 동일한 조건으로 3회 반복 실험 후 평균 수치임.
상기 결과로 DC 12V 인가시 평면 타입 D는 1.62A, 평면 타입 C는 2.57A로 D번 대비 C번이 50%의 전원 효율이 더 좋은 특성을 보였고, 전기분해 된 분당 평균 증발량은 C번이 0.26g, D번이 0.17g으로 C번이 55%의 효율이 더 우수했다.
또한, 전원효율과 전기분해 효율이 일치하지 않은 것은 물의 온도 상승으로 인해 손실이 발생된 것이다.
10 : 전극촉매
11 : 곡면 돌출부
12 : 요홈
100 : 셀스택

Claims (7)

  1. 판 형상으로 이루어진 전극촉매(10)를 일정한 간격으로 복수 개 연속 구비하되,
    상기 전극촉매(10)는,
    일면 상부에 곡면 돌출부(11)가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 일면 상부 돌출형(10b), 양면 상부에 곡면 돌출부(11)가 유선형으로 볼록하게 돌출 형성된 양면 상부 돌출형(10e) 중 택 1종이 사용됨을 특징으로 하는 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 전극촉매(10)와 전극촉매(10) 사이에는 평면 형태의 평면형 전극촉매(10g)가 각각 구비됨을 특징으로 하는 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 전극촉매(10)는 티타늄(Ti) 소재를 곡면 형태의 틀에서 용융 성형하거나, 티타늄 소재의 재료를 곡면 형태로 절삭 가공하고, 백금, 루테늄, 이리듐 중 택 1종 또는 택 2종 이상의 촉매를 0.5 ~ 8㎛ 두께로 코팅한 것임을 특징으로 하는 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 전극촉매(10)는 PP, PE, SEbs, PC, ABS, PA66, PET, SAN의 열가소성 소재 중 택 1 된 소재에 Al, Cu, Fe, 페라이트, Ti, 그래핀 중 택 1종 이상의 소재와 CNT가 첨가되어 표면 저항이 0.5Ω/□(오옴) 이하인 플라스틱 CNT 복합소재임을 특징으로 하는 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 전극촉매(10)는 단부의 두께가 0.5 ~ 8mm일때, 곡면 돌출부는 단부로부터 0.5 ~ 2mm 두께로 돌출됨을 특징으로 하는 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 전극촉매(10)는 이웃한 전극촉매(10)와의 간격이 곡면 돌출부 기준으로 0.2 ~ 2.2mm, 단부의 간격은 0.7 ~ 4.2mm임을 특징으로 하는 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 전극촉매(10)는 일면 또는 양면에 수직의 요홈(12)이 형성됨을 특징으로 하는 고효율의 전해수 순환이 가능한 물 전기분해용 전극촉매 셀스택.
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