KR102463683B1 - 알칼라인 수전해 장치용 캐소드 방식 시스템 및 이를 포함하는 수전해 장치 - Google Patents

알칼라인 수전해 장치용 캐소드 방식 시스템 및 이를 포함하는 수전해 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알칼라인 수전해 장치용 캐소드 방식 시스템 및 이를 포함하는 수전해 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알칼라인 수전해 장치의 니켈 캐소드(cathode) 전극에 염다리와 도선을 사용하여 별도로 연결되는 캐소드 방식(protecting) 시스템 및 이를 포함하는 수전해 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 아연 봉을 포함하는 별도의 캐소드 방식 시스템에 의해 보다 간편하고 저렴한 방법으로 니켈 전극 자체의 산화를 방지하여 전극 수명을 연장하는 동시에 수전해 효율을 증가시킬 수 있는 알칼라인 수전해 장치를 제공할 수 있다.

Description

알칼라인 수전해 장치용 캐소드 방식 시스템 및 이를 포함하는 수전해 장치{CATHODE PROTECTING SYSTEM FOR ALKALINE WATER ELECTROLYSIS AND WATER ELECTROLYSIS DEVICE COMPRISING THE SAME}
본 발명은 알칼라인 수전해 장치용 캐소드 방식 시스템 및 이를 포함하는 수전해 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알칼라인 수전해 장치의 니켈 캐소드(cathode) 전극에 염다리와 도선을 사용하여 별도로 연결되는 캐소드 방식(protecting) 시스템 및 이를 포함하는 수전해 장치에 관한 것이다.
근래 지구온난화와 같은 환경문제가 심각하게 대두됨에 따라 이산화탄소 발생을 저감하여 환경문제를 해결하려는 방법이 연구되고 있다. 그 중 한 방법으로서 태양광, 풍력 등 주요한 재생 가능한 청정에너지 자원을 활용한 전기 생산이 주목받고 있다.
그러나 이러한 청정에너지 자원을 활용한 전기 생산방법은 낮과 밤, 기온차 등 외부 환경에 따라 전기생산량이 변화하기 때문에 전력량을 연속적으로 안정되게 유지할 수 없다는 한계점을 가지고 있다. 전력량이 일정하게 유지될 수 없는 특성으로 인해 청정에너지를 활용한 전기 생산방법은 전력 수요가 없을 때에는 잉여전력이 발생하게 되어 전력망의 안정성 자체에 문제를 일으킬 수도 있다.
따라서 잉여 전력을 효율적으로 사용하기 위한 대용량 에너지 전환 기술이 필요하고, 전력의 대용량/장기 저장에 적합한 방법으로 수소에너지가 각광받고 있다.
수전해(Water Electrolysis)란 물의 전기화학반응을 통해 수소와 부산물로 산소를 생산하는 기술을 일컫는다. 이산화탄소 같은 온실가스는 물론이고 오염물질 없이 수소를 생산할 수 있는 청정기술이기 때문에 에너지 신산업 도약에 있어 핵심이 되는 기술이다.
물을 전기분해하여 수소를 생산하는 수전해 장치는 크게 알칼라인(Alkaline) 수전해 장치와 PEM(Polymer electrolyte membrane) 수전해 장치로 분류할 수 있다. 그 중 알칼라인 수전해 장치는 PEM 수전해 장치에 비해 저렴한 비귀금속 기반 촉매를 사용할 수 있고, 현재 통상적으로 사용되는 전극도 비귀금속인 니켈에 기반을 두고 있다. 니켈을 기반으로 하는 전극은 경제적인 이점뿐만 아니라 기대 수명이 10년 내지 20년으로 상대적으로 길다는 장점이 있고, 모듈 사이즈를 대형화할 수 있어서 대용량 에너지 저장에도 적합하다.
알칼라인 수전해 장치의 셀 스택(stack)은 크게 한 셀 당 전극(캐소드 및 애노드)과 교환막으로 구성되고, 각 셀은 양극판(bipolar plate)으로 직렬 연결되어 스택 형태로 구동된다. 또한, 알칼라인 수전해 스택 내 단일셀 구조의 물질전달 저항 증가를 줄이기 위해 전극과 분리막 사이 간격을 제거한 제로갭(zero-gap) 구조로 설계되어 사용되고 있다.
한편, 상기한 바와 같이 태양에너지 또는 풍력에너지와 같은 재생에너지를 알칼라인 수전해 장치를 이용하여 수소에너지로 변환할 때 생기는 재생에너지의 불연속적 생산은 알칼라인 수전해 장치의 니켈 전극 사이에서 역전류를 발생시킬 수 있다. 즉, 재생에너지가 불연속적으로 생산되면 알칼라인 수전해 장치의 전원 공급이 일시적으로 중단되는데, 이 때 제로갭 구조에서 양극판 양옆의 니켈 전극 사이에 역전류가 흐를 수 있다. 니켈 전극 사이에 역전류가 발생하는 구동력은 양극판 양쪽에 위치한 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 표면의 전위차이다. 수전해 장치의 구동 시에는 외부 전압이 인가되어서 애노드에는 높은 전압(1.23V 이상)이 걸려 산화 반응(산소 발생 반응)이 일어나고 캐소드에는 낮은 전압(0V 이하)이 걸려 환원 반응(수소 발생 반응)이 일어나게 된다. 이로 인해 애노드 표면에서는 니켈 산화물 형태가, 캐소드 표면에서는 니켈 금속 형태가 지배적으로 생성된다.
재생에너지 특성으로 인해 수전해 장치에 에너지가 불연속적으로 공급되어 수전해 장치로의 전원 공급이 차단되면 도 1에 나타낸 바와 같이 전극 사이의 전압 차이가 존재하는 상태에서 양극판이 도선 역할을, 유동라인으로 연결된 전해질이 이온 전도 통로로 역할을 하면서 두 전극 사이의 자발적인 전기화학 반응에 의해 전류가 흐르게 된다. 이 경우 전류 방향은 수전해 구동될 때의 전류 방향과 반대이기 때문에 캐소드에서는 산화반응이, 애노드에서는 환원반응이 발생하면서 원래의 전극 표면 상태에서 다른 조성으로 변화하게 된다. 특히 캐소드 쪽 금속 니켈 전극은 산화되어 비가역적인 니켈 산화물 형태가 형성되면 다시 환원 전압을 걸어주어도 금속 니켈 상태로 돌아갈 수 없게 된다. 이처럼 니켈 전극 표면의 조성이 변화하면 수전해 장치의 전극 수명이 줄어들고 수소 발생량이 감소하며 스택면적 당 수소생산 가격이 증가하는 등 수전해 장치의 전체적인 효율성이 떨어지게 된다.
수전해 장치가 가지는 상기한 문제점들을 극복하기 위한 선행기술로서, 대한민국 등록특허 제10-2006794호에서는 과전압 특성 및 성능 내구성이 우수한 수전해용 막전극 접합체로서 수전해 반응과 동시에 이산화탄소 전환 반응이 가능하며, 전해질막에 과산화수소 용액 및 황산용액을 사용하고 전해질막에 로딩하는 촉매 전극의 양을 조절하여 싸이클에 따라 과전압을 더 감소시킬 수 있는 수전해용 막 전극 접합체를 제공하고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1326120호에서는 수산화칼륨(KOH) 등의 유해물질을 사용하지 않고 저비용으로 산소를 생산할 수 있는, 수소이온 교환막과 수소 이온 교환막의 양측에 전극 촉매층을 갖는 전기분해셀을 포함하는 산소를 발생하는 장치, 및 이를 포함하는 산소 공급 시스템을 개시하고 있다.
대한민국 등록특허 제10-1352887에서는 저렴하고 안정적이며 효율성을 갖는 이온수 제조장치로서, 알카리수 및/또는 산성수를 동시에 또는 한 개씩 개별적으로 연속하여 생성함과 더불어 캐소드실 내의 캐소드에 형성된 칼슘 및 마그네슘 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 구조를 갖는 수전해 이온수 발생장치를 제공하고 있다.
수전해 시스템의 효율은 수소 생산단가와 직결되는 문제이기 때문에 종래의 기술들은 수전해 효율 손실을 최소화하기 위해 전극의 전기화학적 활성을 개선하는 연구에 집중되어 왔다. 그러나 보다 간편하고 저렴한 방법으로 니켈 전극 자체의 산화를 방지하여 전극 수명을 연장하는 동시에 수전해 효율을 증가시킬 수 있는 방법이 절실하게 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-2006794호(2019.07.29.등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1326120호(2013.10.31.등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1352887호(2014.01.13.등록)
본 발명은 수전해 장치에서 전원이 꺼진 후에도 니켈 전극의 산화를 방지하여 전극 수명을 연장하는 동시에 수전해 효율을 증가시킬 수 있는 수전해 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
이를 위하여 본 발명에서는 아연을 니켈 전극에 전기적으로, 그리고 이온적으로 간단하게 연결시킬 수 있는 캐소드 방식 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.
또한, 본 발명은 아연을 전극이나 분리막에 코팅하거나 증착시키는 공정 없이도 니켈 캐소드 전극의 산화를 방지하므로써 수전해 효율을 증가시키는 경제적인 이점을 기대할 수 있는 알칼라인 수전해 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
본 발명은,
니켈 애노드 전극(131,132), 니켈 캐소드 전극(121,122), 및 상기 애노드 및 상기 캐소드 전극 사이에 개재된 전해질막(106,107)을 포함하는 막 전극 접합체(100)와, 상기 막 전극 접합체 내의 전극에 전압을 인가하기 위한 직류 전원 공급 장치와, 상기 전극 접합체를 전기적으로 연결시키기 위한 양극판(103)과, 각각의 애노드에 공급된 전해질을 순환시키는 유동라인(138,139) 및 유동수단과, 각각의 캐소드에 공급된 전해질을 순환시키는 유동라인(128,129) 및 유동수단과, 공급받은 전해질을 저장하는 저장조(120,130)를 포함하는 수전해 장치에 있어서,
Sn, Pb, Cd, Fe 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 금속 봉(241) 및 전해질을 포함하는 저장용기(240)로 구성되고, 상기 금속봉(241)이 염다리(248)를 통해 상기 캐소드 전극(121,122)에 전해질을 공급하는 유동라인(128)과 연결되고 도선(249)에 의해 상기 캐소드 전극(121)과 전기적으로 연결되는 캐소드 방식 시스템(200)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 애노드 전극 및 상기 캐소드 전극이 니켈 폼으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 캐노드 방식 시스템(200) 내의 금속 봉이 아연 봉인 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 전해질, 아연 봉(241), 염다리(248), 도선(249) 및 저장용기(240)로 구성되고, 상기 아연 봉이 전해질과 접촉되고 상기 염다리 및 도선에 의해 알칼라인 수전해 장치의 니켈 캐소드 전극과 연결되는 것인 알칼라인 수전해 장치용 캐소드 방식 시스템(200)을 제공한다.
본 발명에 따르면, 아연 봉을 포함하는 별도의 캐소드 방식 시스템에 의해 전극이나 분리막에 코팅하거나 증착시키는 공정 없이도 아연을 니켈 캐소드 전극에 전기적으로, 그리고 이온적으로 연결하므로써 알칼라인 수전해 장치에서 니켈의 산화를 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면 별도의 캐소드 방식 시스템에 의해 보다 간편하고 저렴한 방법으로 니켈 전극 자체의 산화를 방지하여 전극 수명을 연장하는 동시에 수전해 효율을 증가시킬 수 있는 알칼라인 수전해 장치를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 아연이 수전해 셀 스택 외부에 장착되기 때문에 수전해 시스템 내에 아연이 용출되는 문제점을 방지할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 수전해 장치에 있어서 전원이 꺼졌을 때 제로갭 구조에서 양극판 양옆의 니켈 전극 사이에 역전류가 형성되는 메카니즘을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따라 아연 봉을 염다리 및 도선으로 연결한 니켈 캐소드 전극과 종래기술에 따른 니켈 캐소드 전극을 제조하여 시간전위차법으로 측정한 전극물질 각각의 시간에 따른 전압을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 아연 봉을 염다리 및 도선으로 연결한 니켈 캐소드 전극과 종래기술에 따른 니켈 캐소드 전극을 제조하여 상온에서 1M KOH 전해질 60g을 사용한 3전극 셀 실험을 통해 측정한 수소발생반응의 활성 실험(HER polarization curve) 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 니켈 애노드 전극(131,132), 니켈 캐소드 전극(121,122), 및 상기 애노드 및 상기 캐소드 전극 사이에 개재된 전해질막(106,107)을 포함하는 막 전극 접합체(100)와, 상기 막 전극 접합체 내의 전극에 전압을 인가하기 위한 직류 전원 공급 장치와, 상기 전극 접합체를 전기적으로 연결시키기 위한 양극판(103)과, 각각의 애노드에 공급된 전해질을 순환시키는 유동라인(138,139) 및 유동수단과, 각각의 캐소드에 공급된 전해질을 순환시키는 유동라인(128,129) 및 유동수단과, 공급받은 전해질을 저장하는 저장조(120,130)를 포함하고, 추가로
Sn, Pb, Cd, Fe 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 금속 봉(241) 및 전해질을 포함하는 저장용기(240)로 구성되는 캐소드 방식 시스템(200)을 포함하며, 여기서 상기 금속 봉(241)은 염다리(248)를 통해 상기 캐소드 전극들(121,122)에 전해질을 공급하는 유동라인(128)과 연결되고 상기 캐소드 전극(121)과 도선(249)에 의해 전기적으로 연결된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치에서 애노드 및 캐소드 전극은 니켈 폼 또는 니켈 메쉬 재질, 바람직하게는 니켈 폼을 사용할 수 있다. 니켈은 알칼라인 조건에서 수소발생반응에 대한 활성을 갖는 동시에 알칼라인 매질에 쉽게 용해되지 않는 물질로서, 특히 니켈 폼 재질은 다공성 구조를 가지고 있어서 표면적이 넓어 더 많은 수소를 발생할 수 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 종래기술에 따른 수전해 장치는 전원이 꺼졌을 때 전극과 분리막 사이의 간격을 제거하는 제로갭 구조에서 양극판 양옆의 니켈 전극 사이에 역전류가 형성된다. 니켈 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 장치에서 역전류는 캐소드에서는 산화반응을, 애노드에서는 환원반응을 유발하여 원래의 전극 표면의 조성을 변화시키게 된다. 특히 캐소드쪽 금속 니켈 전극은 산화되어 비가역적인 니켈 산화물 형태가 생성되는데 다시 환원 전압을 걸어주어도 금속 니켈 상태로 돌아갈 수 없는 불가역적 상태로 된다. 이러한 불가역적 반응으로 인해 니켈 전극 표면의 조성이 달라지면 전극의 수명이 줄어들고 수소 발생량이 감소하며 스택면적 당 수소생산 가격이 증가하는 등 수전해 장치의 효율 저하를 야기하게 된다.
본 발명에 있어서는, 이러한 역전류에 의한 니켈 캐소드의 산화를 방지하기 위해 표준 산화 환원 전위가 니켈보다 낮은 금속을 니켈 캐소드와 도선으로 연결하는 동시에 염다리를 통해 전해질(KOH)을 연결하는 캐소드 방식 시스템을 추가로 알칼라인 수전해 장치에 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 캐소드 방식 시스템을 포함하는 알칼라인 수전해 장치의 일 실시예를 나타낸 것이다. 도 2에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 캐소드 방식 시스템(200)은 별도의 저장용기(240)로 막전극 접합체(100)를 포함하는 수전해 장치에 추가로 설치된다. 이 때 캐소드 방식 시스템은 수전해 장치의 니켈 캐소드에 염다리와 도선으로 연결될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 캐소드 방식 시스템(200)은 알칼라인 수전해 장치의 1 이상의 니켈 캐소드 전극(121,122)에 염다리(248)와 도선(249)을 사용하여 Sn, Pb, Cd, Fe 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택되는 1종의 금속 봉(241)을 연결하는 시스템으로, 구체적으로는 전해질, 바람직하게는 KOH를 포함하는 저장용기에 금속 봉, 바람직하게는 아연 봉을 연결하는 것으로 구성된다. 여기서 금속 봉은, 예를 들어 아연 봉은 통상적인 방법에 의해 아연 펠렛으로부터 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 캐소드 방식 시스템에서 사용가능한 금속 봉은 니켈보다 낮은 표준 산화화원 전위를 갖는 금속, 예를 들어 Sn, Pb, Cd, Fe 및 Zn으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 금속 봉으로는 아연이 사용될 수 있다. 본 발명의 아연 봉을 포함하는 캐소드 방식 시스템은 캐소드 전극에 연결되어 니켈 대신 아연이 산화되어 그로 인해 니켈 전극의 산화를 방지한다.
상기한 캐소드 방식 시스템을 포함하는 알칼라인 수전해 장치가 캐소드 니켈의 산화를 방지할 수 있는지 확인하기 위해서 역전류가 흐르는 조건, 즉, 양전류가 흐르는 조건 하에 전극의 전압과 수소발생반응의 활성을 측정하였다.
도 3에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 따른 아연 봉을 포함하는 캐소드 방식 시스템으로 구성되는 알칼라인 수전해 장치에서는 전압이 Ni에서 Ni(OH)2가 형성되는 전압 이하로 유지되는 것으로 나타났다. 즉, 본 발명에 따른 캐소드 방식 시스템은 수전해 장치에서 역전류 발생 시에 전극 표면의 조성 변화를 억제하여 니켈의 산화를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 아연 봉을 포함하는 캐소드 방식 시스템으로 구성되는 알칼라인 수전해 장치는 역전류가 흐르는 산화과정에서도 과전압이 증가하지 않아 니켈 캐소드 전극의 산화를 방지하여 전극의 산화에 의한 수전해 장치의 효율 저하를 방지할 수 있다. 도 4에서 보이는 바와 같이 본 발명에 따른 수전해 장치에서는 CP(Chronopotentiometry, 정전류를 흘려주며 전압을 측정하는 전기화학적인 기법)로 인한 산화과정을 거쳐도 과전압이 증가하지 않고 니켈 캐소드 전극의 포텐셜을 유지하였다. 그 결과, 본 발명에 따른 캐소드 방식 시스템을 포함하는 알칼라인 수전해 장치는 전극의 산화를 방지할 수 있고, 수소발생반응의 활성도 유지할 수 있다.
그러므로 본 발명에 따른 캐소드 방식 시스템을 적용한 알칼라인 수전해 장치는 전극에서 니켈의 산화를 방지하여 금속 상태에 가깝게 유지시키므로써 수전해 장치의 효율을 증가시킬 수 있으며, 수전해 구동이 중단되었을 때 역전류가 흐르는 현상으로 생기는 니켈 캐소드 산화를 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
전극 제조예 1
Nafion 아이오노머 0.4 ml와 IPA 20 ml를 증류수로 혼합한 100 ml 수용액을 상온에서 자석 교반기를 사용하여 12시간 동안 혼합하여 Nafion 용액을 제조하였다. 제조된 Nafion 용액 5 ml와 니켈 블랙 35 mg을 혼합하였고 상온에서 초음파(sonication) 교반을 30분 동안 실시한 후, 제조된 잉크를 지름 5 mm인 유리상 탄소 위에 10 μl를 캐스팅하여 도포하며, 로딩량 0.35 mg/cm2으로 제조하였다. 상온에서 50 rpm으로 스핀 코팅하면서 2시간 동안 건조시켜서 0.19635 cm2 크기로 니켈 캐소드 전극을 제조하였다.
전극 제조예 2
니켈 캐소드 전극은 상기 전극 제조예 1과 동일한 방법으로 제조하였다. 아연 펠렛 1.3 g으로 아연 봉을 제조하여 도선의 한쪽 끝에 연결시킨 다음, 도선의 다른 한 쪽 끝은 상기 니켈 캐소드 전극과 연결하였다. 상기 아연 봉을 1M KOH 전해질 60 g이 담긴 비커 내에서 전해질 표면과 닿게 하였으며, 이때 전해질과 접촉하는 아연 펠렛의 면적을 0.32 cm2로 하여 아연 봉과 니켈 캐소드 전극을 전기적으로 연결된 형태로 수전해 장치를 제작하였다.
실시예 1 전극 물질의 전압측정 (Chronopotentiometry, CP, 시간전위차법)
상기한 전극 제조예 1의 방법으로 제조된 니켈 캐소드 전극을 상온에서 1M KOH 전해질 60g을 사용하는 3전극 셀 실험을 통해 전극 물성 평가를 실시하였다.
양전류를 흘려주며 수전해 구동이 멈출 시 역전류가 흐르는 현상을 CP로 모사하였다. 3전극 실험에서 레퍼런스 전극으로는 Hg/HgO 전극을 사용하였고, 상대 전극으로는 흑연을 사용하여 전극 제조예 1과 2로부터 제조된 작업전극의 전압을 측정하였다.
전극 제조예 2의 방법으로 제조된 니켈 캐소드는 아연 펠렛의 봉이 1M KOH 전해질 60 g이 담긴 비커에서 전해질 표면과 닿아있고, 이 비커 내 전해질은 3전극 셀 내의 전해질과 염다리로 연결되어 있다.
상기 제조예 1과 2에 따라 제조된 작업전극에서 양전류의 흐름에 따른 전압을 측정하였다. 그 결과, 도 3에서 보이는 바와 같이 제조예 1의 전압은 약 1.5 V까지 증가한 반면, 제조예 2의 전압은 약 0 V에서 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.
즉, 전극 제조예 1의 니켈 캐소드 전극만을 사용한 경우에는 양전류로 인해 산화되어 NiO2가 형성되는 전압(1.434 V vs RHE) 이상까지 도달하였으나, 전극 제조예 2의 캐소드 방식 시스템을 사용하는 니켈 캐소드 전극의 경우에는 Ni에서 Ni(OH)2가 형성되는 전압 이하로 전압이 지속되었다. 그 결과, 제조예 2의 니켈 캐소드 전극은 니켈의 산화가 방지되어 금속 상태에 가깝게 유지시킬 수 있는 것을 확인하였다.
실시예 2 수소발생반응 활성 측정(HER polarization curve)
전극 제조예 1과 2의 니켈 캐소드 전극을 상온에서 1M KOH 전해질 60 g을 사용한 3전극 셀 실험을 통해 전극 물성 평가를 실시하였다. 3전극 실험에서 레퍼런스 전극으로는 Hg/HgO 전극을 사용하고, 상대 전극으로는 흑연을 사용하여 전극 제조예 1과 2에 따라 제조된 니켈 캐소드 작업전극의 전압을 측정하였다. 전극 제조예 2의 경우, 아연 펠렛이 1M KOH 전해질 60 g이 담긴 비커에 전해질 표면과 닿아있고, 이 비커 내 전해질은 3전극 셀 내의 전해질과 염다리로 연결되어 있다.
전극 제조예 1에 따라 제조된 작업전극은 RHE 기준 0.1V에서 -0.5V까지 전류가 측정되며 분극 곡선을 얻을 수 있다. 그 후 양전류를 3분 동안 흘려주며 수전해 구동이 멈출 시 역전류가 흐르는 현상을 CP로 모사하였다. CP 측정이 완료된 직후에 동일한 LSV 커브를 측정하였다. 이후, 전극 제조예 2의 형태로 아연 펠렛을 연결한 후 동일하게 CP와 LSV 커브를 측정하였다.
도 4에서 보이는 바와 같이, 전극 제조예 1의 경우 CP로 인한 산화과정으로 인하여 전류밀도 10 mA/cm2에서 수소발생반응 과전압이 증가하는 것으로 나타난 반면, 전극 제조예 2의 경우에는 CP로 인한 산화과정을 거쳐도 과전압이 증가하지 않는 것으로 나타났다. 그 결과, 아연봉을 포함하는 캐소드 방식 시스템이 우수한 니켈 캐소드 산화 방지와 산화로 인한 니켈 전극의 효율 저하 방지 특성을 가지는 것임을 확인하였다.
100 - 막 전극 접합체
103 - 양극판 104, 105 - 단판(End Plate)
106, 107 - 전해질막
120, 130 - 저장조
121, 122 - 니켈 캐소드 전극 128, 129 - 유동라인
131, 132 - 니켈 애노드 전극 138, 139 - 유동라인
200 - 캐소드 방식 시스템
240 - 저장용기 241 - 금속 봉
248 - 염다리 249 - 도선

Claims (5)

  1. 서로 이격되어 배치되는 니켈 애노드 전극(131,132), 상기 니켈 애노드 전극(131,132)의 일 측에 배치되는 니켈 캐소드 전극(121,122), 니켈 캐소드 전극(121)과 니켈 애노드 전극(132) 사이에 배치되어 상기 니켈 캐소드 전극(121)과 상기 니켈 애노드 전극(132)을 전기적으로 연결시키는 양극판(103) 및 상기 니켈 애노드 전극(131,132) 및 상기 니켈 캐소드 전극(121,122) 사이에 각각 개재된 전해질막(106,107)을 포함하는 막 전극 접합체(100)와, 상기 막 전극 접합체 내의 전극에 전압을 인가하기 위해 상기 전극 접합체(100)의 양 측 끝단에 배치된 단판(104, 105)에 연결되는 직류 전원 공급 장치와, 각각의 니켈 애노드 전극(131,132)에 공급된 전해질을 순환시키는 유동라인(138,139)과, 각각의 니켈 캐소드 전극(121,122)에 공급된 전해질을 순환시키는 유동라인(128,129)과, 상기 유동라인(128,129,138,139)과 연결되며 상기 유동라인(128,129,138,139)에 의해 공급받은 전해질을 저장하는 저장조(120,130)를 포함하는 수전해 장치에 있어서,
    내측에 수용되는 전해질 용액 및 Sn, Pb, Cd, Fe 및 Zn 중 적어도 하나를 포함하고 상기 전해질 용액에 일부가 담기도록 배치되는 금속 봉(241)을 포함하는 저장용기(240)로 구성되는 캐소드 방식 시스템(200)을 포함하고,
    상기 캐소드 방식 시스템(200)은, 상기 금속 봉(241)과 상기 니켈 캐소드 전극(121)을 연결하는 도선(249); 및 상기 전해질 용액에 일 측단이 담기고 타 측단이 유동라인(128)에 연결되는 염다리(248);를 통해 상기 금속 봉(241)과 상기 니켈 캐소드 전극(121,122)을 전기적으로 그리고 이온적으로 연결하는,
    알칼라인 수전해 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 니켈 애노드 전극(131,132) 및 상기 니켈 캐소드 전극(121,122)이 니켈 폼으로 이루어지는,
    알칼라인 수전해 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 방식 시스템(200) 내의 금속 봉이 아연 봉인,
    알칼라인 수전해 장치.
  4. 전해질, 상기 전해질의 중간 부분에 떠 있는 구조로 배치된 아연 봉(241), 상기 전해질과 니켈 캐소드 전극(121,122)에 전해질을 공급하는 유동라인(128)을 연결하는 염다리(248), 상기 아연 봉(241) 및 니켈 캐소드 전극(121)을 연결하는 도선(249) 및 상기 전해질과 상기 아연 봉(241)을 포함하는 저장용기(240)를 포함하고, 상기 아연 봉(241)이 전해질과 접촉되고 상기 염다리(248) 및 도선(249)에 의해 알칼라인 수전해 장치의 니켈 캐소드 전극(121,122)과 연결되는,
    알칼라인 수전해 장치용 캐소드 방식 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전해질은 KOH인,
    알칼라인 수전해 장치용 캐소드 방식 시스템.
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