KR102642380B1 - Cathode electrode structure having gas diffusion electrode for producing peroxide - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체를 개시한다. 상기 음극 구조체는, 산소 기체는 투과시키고 전해질은 투과시키지 않는 특성을 가지며, 횡방향으로 연장된 하단부 및 상단부를 갖는 평면 형태로 이루어진 가스 확산 전극과, 상기 가스 확산 전극을 지지하도록 구성된 서포트 플레이트; 상기 가스 확산 전극의 상기 하단부에 접하도록 배치된 하단 유로 부재와, 상기 가스 확산 전극의 상기 상단부에 접하도록 배치된 상단 유로 부재와, 상기 가스 확산 전극이 상기 서포트 플레이트에 의해 지지되고 또한 상기 가스 확산 전극의 하단부와 상단부에 상기 하단 유로 부재와 상기 상단 유로 부재가 각각 결합된 상태인 음극 부재의 일측면을 수용할 수 있도록 구성된 바이폴라 플레이트와, 및 상기 바이폴라 플레이트에 안착된 상기 음극 부재의 둘레 부분을 밀봉하면서 상기 바이폴라 플레이트를 덮도록 구성된 가스켓으로 이루어진다.The present invention discloses a cathode structure for generating hydrogen peroxide having a gas diffusion electrode. The cathode structure includes a gas diffusion electrode having a flat shape having a lower end and an upper end extending in a horizontal direction and having the characteristic of transmitting oxygen gas but not permeating the electrolyte, and a support plate configured to support the gas diffusion electrode; A lower flow path member arranged to contact the lower end of the gas diffusion electrode, an upper flow path member arranged to contact the upper end of the gas diffusion electrode, and the gas diffusion electrode are supported by the support plate and the gas diffusion A bipolar plate configured to accommodate one side of the cathode member with the lower flow path member and the upper flow path member coupled to the lower and upper ends of the electrode, and a peripheral portion of the cathode member seated on the bipolar plate. It consists of a gasket configured to cover the bipolar plate while sealing it.
Description
본 발명은 과산화수소의 생산 공정에서 사용되는 전기 분해용 음극 구조체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode structure for electrolysis used in a hydrogen peroxide production process, and more specifically, to a cathode structure for generating hydrogen peroxide equipped with a gas diffusion electrode.
일반적으로, 과산화수소는, 공기 중의 산소를 안트라퀴논이나 이소프로필알코올 같은 유기 화합물과 반응시켜 제조된다. 상업적으로는 보통, 농도가 35%, 50%, 70%, 90%인 과산화수소 수용액이 제조된다. Generally, hydrogen peroxide is produced by reacting oxygen in the air with an organic compound such as anthraquinone or isopropyl alcohol. Commercially, aqueous hydrogen peroxide solutions are usually prepared at concentrations of 35%, 50%, 70%, and 90%.
과산화수소는 가정용 소독제부터 폐수 처리용 산화제, 피혁 가공용 표백제 등으로 사용되는, 사용 분야가 매우 다양한 화학 약품이다. 특히, 폐수 처리용 및 피혁 가공용 표백제로서 대량으로 사용된다. Hydrogen peroxide is a chemical agent with a wide variety of uses, used as a household disinfectant, an oxidizing agent for wastewater treatment, and a bleaching agent for leather processing. In particular, it is used in large quantities as a bleaching agent for wastewater treatment and leather processing.
이러한 과산화수소는, 인체에 접촉될 경우 화상의 위험성이 있고 산화력이 매우 높기 때문에 유기 용제와 반응하면 폭발의 가능성도 있다. 따라서, 많은 양을 사용할 경우에는, 운반(이송), 보관, 사용하는 데에 각별히 유의해야 한다. 특히, 과산화수소를 300kg 이상으로 저장하는 경우에는, 제6류 위험물로 지정 관리되어야 한다. Hydrogen peroxide poses a risk of burns if it comes in contact with the human body, and because it has a very high oxidizing power, there is a possibility of explosion if it reacts with an organic solvent. Therefore, when using large amounts, special care must be taken when transporting (transferring), storing, and using. In particular, if hydrogen peroxide is stored in quantities of 300 kg or more, it must be designated and managed as a Class 6 dangerous good.
일반적으로, 전기 분해 장치를 이용하여 과산화수소를 생성하는 경우에는, 가스 확산 전극(GDE)을 음극으로 사용하고 있다. 이러한 가스 확산 전극에 대해서는, 전극의 재질 및 코팅 성분에 관해 다수의 문헌을 통해 공지되어 있다.Generally, when generating hydrogen peroxide using an electrolysis device, a gas diffusion electrode (GDE) is used as a cathode. Regarding such gas diffusion electrodes, the materials and coating components of the electrodes are known from numerous literature.
종래의 전기 분해 장치는, 전기 분해가 이루어지는 반응기, 반응기 내부에 설치된 양극, H+ 이동막 및 음극(예를 들면, 가스 확산 전극)을 구비하고 있다. 반응기 내부의 공간은, 양극 및 음극에 의해 3부분으로 분리된다. 이때, 양극 바깥쪽에 유입된 전해질에서 발생한 H+가 양극과 H+ 이동막을 거처 양극과 음극 사이의 공간으로 유입되고, 가스 확산 전극 외부에 공급된 산소 기체가 가스 확산 전극을 통해 상기 공간으로 유입된다. 이로써, 양극과 음극 사이의 공간에서 과산화수소가 생성된다. 따라서, 가스 확산 전극은 기본적으로 산소 기체가 통과할 수 있어야 하고, 가스 확산 전극은 전해질을 통과시키지 않아야 한다. A conventional electrolysis device includes a reactor in which electrolysis is performed, an anode installed inside the reactor, an H+ transfer membrane, and a cathode (for example, a gas diffusion electrode). The space inside the reactor is divided into three parts by the anode and cathode. At this time, H+ generated from the electrolyte flowing outside the anode flows into the space between the anode and cathode through the anode and the H+ transfer membrane, and oxygen gas supplied outside the gas diffusion electrode flows into the space through the gas diffusion electrode. As a result, hydrogen peroxide is generated in the space between the anode and cathode. Therefore, the gas diffusion electrode must basically allow oxygen gas to pass through, and the gas diffusion electrode must not allow electrolyte to pass through.
이러한 조건을 만족할 수 있는 가스 확산 전극에 사용할 수 있는 물질에 대해서, 한국공개특허 제2015-0120377호 및 한국등록특허 제10-0762343호를 참조할 수 있다.For materials that can be used in a gas diffusion electrode that can satisfy these conditions, refer to Korean Patent Publication No. 2015-0120377 and Korean Patent Registration No. 10-0762343.
하지만, 상기 문헌들에서는 전기 분해 장치에서 사용되는 과산화수소 생성을 위한 가스 확산 전극의 재료만을 개시하여 활용 가능성만 제시할 뿐, 이를 전극에 결합하여 활용할 수 있는 구조체에 대한 내용은 개시하지 않고 있다. However, the above documents only disclose the material of the gas diffusion electrode for generating hydrogen peroxide used in an electrolysis device and only suggest the possibility of utilization, and do not disclose the structure that can be used by combining it with the electrode.
따라서, 본 발명은, 과산화수소를 생산하는 전기 분해 방법에서 즉시 사용할 수 있는 음극 구조체를 제공하고자 한다. 상기 음극 구조체는, 전극을 통해 전해질 내에 산소를 투입하여 전기화학적 반응에 의해 과산화수소를 만드는 데에 사용될 수 있다. Therefore, the present invention seeks to provide a cathode structure that can be immediately used in an electrolysis method for producing hydrogen peroxide. The cathode structure can be used to create hydrogen peroxide through an electrochemical reaction by introducing oxygen into the electrolyte through an electrode.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체는: 산소 기체는 투과시키고 전해질은 투과시키지 않는 특성을 가지며, 횡방향으로 연장된 하단부 및 상단부를 갖는 평면 형태로 이루어진 가스 확산 전극; 상기 가스 확산 전극을 지지하도록 구성된 서포트 플레이트; 상기 가스 확산 전극의 상기 하단부에 접하도록 배치된 하단 유로 부재; 상기 가스 확산 전극의 상기 상단부에 접하도록 배치된 상단 유로 부재; 상기 가스 확산 전극이 상기 서포트 플레이트에 의해 지지되고 또한 상기 가스 확산 전극의 하단부와 상단부에 상기 하단 유로 부재와 상기 상단 유로 부재가 각각 결합된 상태인 음극 부재의 일측면을 수용할 수 있도록 구성된 바이폴라 플레이트; 및 상기 바이폴라 플레이트에 안착된 상기 음극 부재의 둘레 부분을 밀봉하면서 상기 바이폴라 플레이트를 덮도록 구성된 가스켓; 을 포함할 수 있다.The cathode structure for generating hydrogen peroxide having a gas diffusion electrode according to the present invention to achieve the above-described object is: having a characteristic of transmitting oxygen gas and not permeating electrolyte, and having a lower and upper portion extending in the transverse direction. A gas diffusion electrode in a flat shape; a support plate configured to support the gas diffusion electrode; a lower flow path member arranged to contact the lower end of the gas diffusion electrode; an upper flow path member arranged to contact the upper end of the gas diffusion electrode; The gas diffusion electrode is supported by the support plate and is configured to accommodate one side of the cathode member in which the lower flow path member and the upper flow path member are coupled to the lower and upper ends of the gas diffusion electrode, respectively. ; and a gasket configured to cover the bipolar plate while sealing a peripheral portion of the cathode member seated on the bipolar plate. may include.
여기서, 상기 서포트 플레이트에는, 상기 가스 확산 전극과 접촉하는 표면에 복수의 통기구가 형성될 수 있다.Here, a plurality of ventilation holes may be formed in the support plate on a surface in contact with the gas diffusion electrode.
또한, 상기 하단 유로 부재에는, 상기 가스 확산 전극의 상기 하단부에서 떨어진 위치에 상기 하단부의 횡방향을 따라 하단 유로 홈이 형성되어 있고, 상기 상단 유로 부재에는, 상기 가스 확산 전극의 상기 상단부에서 떨어진 위치에 상기 상단부의 횡방향을 따라 상단 유로 홈이 형성될 수 있다.Additionally, in the lower flow path member, a lower flow path groove is formed along the transverse direction of the lower end at a position away from the lower end of the gas diffusion electrode, and in the upper flow passage member, a lower flow path groove is formed at a position away from the upper end of the gas diffusion electrode. An upper flow groove may be formed along the transverse direction of the upper part.
또한, 상기 바이폴라 플레이트에는, 상기 하단 유로 부재의 상기 하단 유로 홈에 연결되는 유입구과 상기 상단 유로 부재의 상기 상단 유로 홈에 연결되는 유출구와 상기 음극 부재를 향하여 산소 기체를 주입하도록 형성된 산소 주입구가 형성될 수 있다.In addition, the bipolar plate may be formed with an inlet connected to the lower flow path groove of the lower flow member, an outlet connected to the upper flow path groove of the upper flow member, and an oxygen inlet formed to inject oxygen gas toward the cathode member. You can.
또한, 상기 가스켓에는, 상기 바이폴라 플레이트를 덮은 경우에 상기 음극 부재의 상기 하단 유로 부재의 상기 하단 유로 홈으로부터 상기 음극 부재의 상기 상단 유로 부재의 상기 상단 유로 홈에 이르는 소정 폭의 슬릿이 복수 개 형성될 수 있다. 이로써, 상기 바이폴라 플레이트의 상기 유입구로 유입되는 유체는, 상기 하단 유로 부재의 상기 하단 유로 홈을 따라 흐르고, 이어서 상기 가스켓의 상기 복수의 슬릿을 따라 상기 양극 플레이트의 표면을 따라 흐르고, 상기 상단 유로 부재의 상기 상단 유로 홈에 흘러들어간 후, 상기 바이폴라 플레이트의 상기 유출구를 통해 유출된다.Additionally, in the gasket, when the bipolar plate is covered, a plurality of slits of a predetermined width are formed from the lower flow path groove of the lower flow path member of the cathode member to the upper flow path groove of the upper flow path member of the cathode member. It can be. Accordingly, the fluid flowing into the inlet of the bipolar plate flows along the bottom flow path groove of the bottom flow path member, then flows along the surface of the anode plate along the plurality of slits of the gasket, and flows along the surface of the anode plate and the top flow member. After flowing into the upper flow path groove, it flows out through the outlet of the bipolar plate.
또한, 상기 슬릿은, 동일 폭의 직선 또는 형태, 가변 폭의 직선 또는 곡선 형태, 상기 동일 폭 또는 가변 폭의 직선 또는 곡선 형태가 동일한 간격으로 또는 가변 간격으로 배치된 형태, 또는, 상기 동일 폭 또는 가변 폭의 직선 또는 곡선 형태가 동일한 간격으로 또는 가변 간격으로 배치되며 서로 교차하는 형태로 이루어질 수 있다. 특정의 예에서는, 슬릿을 다각형 형태로 구현하거나, 심지어는, 캐릭터 형태와 같은 임의의 형태로 구현하는 것도 가능하다. In addition, the slit may be a straight line or shape of the same width, a straight line or curved shape of a variable width, a shape in which the straight lines or curved shapes of the same width or variable width are arranged at equal or variable intervals, or the same width or Straight lines or curved lines of variable width may be arranged at equal or variable intervals and intersect each other. In certain examples, it is possible to implement the slit in a polygonal shape, or even in an arbitrary shape such as a character shape.
또한, 상기 음극 부재와 상기 바이폴라 플레이트의 사이에는, 상기 산소 주입구를 통해 주입된 산소 기체가 상기 서포트 플레이트 이외의 부분으로 누출되지 않도록 밀봉하기 위한 밀봉 부재가 배치될 수 있다.Additionally, a sealing member may be disposed between the cathode member and the bipolar plate to prevent oxygen gas injected through the oxygen inlet from leaking to parts other than the support plate.
또한, 상기 가스 확산 전극의 둘레는, 상기 서포트 플레이트의 상기 통기구를 제외한 부분에서 산소 기체가 누출되지 않도록 소정의 밀봉 부재로 밀봉될 수 있다.Additionally, the circumference of the gas diffusion electrode may be sealed with a predetermined sealing member to prevent oxygen gas from leaking from portions of the support plate other than the ventilation hole.
또한, 상기 상단 유로 부재, 상기 하단 유로 부재, 상기 가스켓 중 적어도 하나는 절연성 재질로 이루어질 수 있다. Additionally, at least one of the upper flow path member, the lower flow path member, and the gasket may be made of an insulating material.
상술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체는, 과산화수소를 생산하는 전기 분해 방법에서 즉시 사용할 수 있다. 상기 음극 구조체는, 전극을 통해 전해질 내에 산소를 투입하여 전기화학적 반응을 유도할 수 있다. The cathode structure for generating hydrogen peroxide equipped with a gas diffusion electrode according to the present invention configured as described above can be immediately used in an electrolysis method for producing hydrogen peroxide. The cathode structure can induce an electrochemical reaction by introducing oxygen into the electrolyte through an electrode.
추가로 본 발명에 의하면, 과산화수소는 농도가 높으면 폭발 위험성이 있기 때문에 물과 일정 전해질을 전기 분해하고 산소 또는 공기를 불어넣음으로써, 본 발명에 따른 음극 구조체를 사용하여 최대 35% 이내의 농도로 과산화수소를 제조할 수 있다.Additionally, according to the present invention, since hydrogen peroxide has a risk of explosion at high concentrations, hydrogen peroxide can be produced at a concentration of up to 35% using the cathode structure according to the present invention by electrolyzing water and a certain electrolyte and blowing in oxygen or air. can be manufactured.
또한, 본 발명에 의하면, 필요한 양만큼만 실시간으로 생산하기 때문에 저장탱크의 사이즈를 최소화할 수 있으며, 수분 증발에 따라 과산화수소가 고농도화되어 폭발 위험성이 증가하는 것을 방지할 수 있으며, 따라서, 사용자의 핸들링을 최소화할 수 있어 약품을 구매/운반/보관/사용할 때에 수반되 따른 위험성을 크게 줄일 수 있는 방법을 제공할 수 있다.In addition, according to the present invention, the size of the storage tank can be minimized because only the required amount is produced in real time, and it is possible to prevent the risk of explosion from increasing due to high concentration of hydrogen peroxide due to moisture evaporation, thereby improving the user's handling. can be minimized, providing a way to significantly reduce the risks associated with purchasing/transporting/storing/using drugs.
도 1은 본 발명에 따른 음극 구조체를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 음극 구조체를 분해한 분해도이다.
도 3은 서포트 플레이트와 가스 확산 전극과 상단 유로 부재와 하단 유로 부재가 결합된 음극 부재를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 음극 부재를 다양한 방향으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 음극 부재를 분해한 분해도이다.
도 6은 바이폴라 플레이트의 음극 부재가 안착되는 방향의 일측면을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 음극 구조체를 조립하는 과정을 보여주는 도면이다. 1 is a diagram showing a cathode structure according to the present invention.
FIG. 2 is an exploded view of the cathode structure shown in FIG. 1.
Figure 3 is a diagram showing a cathode member in which a support plate, a gas diffusion electrode, an upper flow path member, and a lower flow path member are combined.
FIG. 4 is a view showing the cathode member of FIG. 3 in various directions.
Figure 5 is an exploded view of the cathode member shown in Figure 3.
Figure 6 is a view showing one side of the bipolar plate in the direction in which the cathode member is seated.
Figure 7 is a diagram showing the process of assembling the cathode structure according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 본 발명의 각 구성 요소를 지칭하는 용어들은 그 기능을 고려하여 예시적으로 명명된 것이므로, 용어 자체에 의하여 본 발명의 기술 내용을 예측하고 한정하여 이해해서는 안될 것이다.Hereinafter, a preferred embodiment of a cathode structure for generating hydrogen peroxide having a gas diffusion electrode according to the present invention will be described with reference to the attached drawings. For reference, the terms referring to each component of the present invention are named illustratively in consideration of their functions, and therefore, the technical content of the present invention should not be understood as predicted or limited by the terms themselves.
도 1은 본 발명에 따른 음극 구조체를 개략적으로 보여준다. 도 2는 본 발명에 따른 음극 구조체의 구성부를 보여준다. 도 3은 음극 부재를 보여준다. 도 4는 음극 부재를 다양한 방향으로 도시한 도면이다. 도 5는 음극 부재의 구성부를 보여준다. 도 6은 바이폴라 플레이트의 일측면, 즉, 음극 부재가 안착되는 방향의 형태를 보여준다. 도 7은 본 발명에 따른 음극 구조체를 조립하는 과정을 보여준다.Figure 1 schematically shows a cathode structure according to the present invention. Figure 2 shows the structural parts of the cathode structure according to the present invention. Figure 3 shows the cathode member. Figure 4 is a view showing the cathode member in various directions. Figure 5 shows the configuration of the cathode member. Figure 6 shows the shape of one side of the bipolar plate, that is, the direction in which the cathode member is seated. Figure 7 shows the process of assembling the cathode structure according to the present invention.
본 발명에 따른 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체는, 다음과 같은 구성부를 결합함으로써 제작된다.The cathode structure for generating hydrogen peroxide equipped with a gas diffusion electrode according to the present invention is manufactured by combining the following components.
가스 확산 전극은, 산소 기체는 투과시키고 전해질은 투과시키지 않는 특성을 가지며, 횡방향으로 연장된 하단부 및 상단부를 갖는 평면 형태로 이루어진다. The gas diffusion electrode has the characteristic of permeating oxygen gas but not permeating electrolyte, and has a planar shape with lower and upper ends extending in the transverse direction.
서포트 플레이트는, 상기 가스 확산 전극을 지지하도록 구성되며, 상기 가스 확산 전극과 접촉하는 표면에는 복수의 통기구가 형성되어 있다. 이 통기구를 통해서, 주입된 산소가 가스 확산 전극에 도달할 수 있게 된다.The support plate is configured to support the gas diffusion electrode, and a plurality of ventilation holes are formed on a surface in contact with the gas diffusion electrode. Through this vent, the injected oxygen can reach the gas diffusion electrode.
하단 유로 부재는, 상기 가스 확산 전극의 상기 하단부 또는 상기 서포트 플레이트의 하단부에 접하도록 배치되며, 상기 가스 확산 전극의 상기 하단부에서 떨어진 위치에 상기 하단부의 횡방향을 따라 하단 유로 홈이 형성되어 있다. The lower flow path member is disposed to contact the lower end of the gas diffusion electrode or the lower end of the support plate, and a lower flow path groove is formed along the transverse direction of the lower end at a position away from the lower end of the gas diffusion electrode.
상단 유로 부재는, 상기 가스 확산 전극의 상기 상단부 또는 상기 서포트 플레이트의 상단부에 접하도록 배치되며, 상기 가스 확산 전극의 상기 상단부에서 떨어진 위치에 상기 상단부의 횡방향을 따라 상단 유로 홈이 형성되어 있다.The upper flow path member is disposed to contact the upper end of the gas diffusion electrode or the upper end of the support plate, and an upper flow path groove is formed along the transverse direction of the upper end at a position away from the upper end of the gas diffusion electrode.
바이폴라 플레이트는, 일측면에 음극 부재를 수용할 수 있도록 구성된다. 음극 부재는, 상기 가스 확산 전극이 상기 서포트 플레이트에 의해 지지되고 또한 상기 가스 확산 전극의 하단부와 상단부에 상기 하단 유로 부재와 상기 상단 유로 부재가 각각 결합된 구조물을 의미한다. 특히, 바이폴라 플레이트는 기 음극 부재의 일측 표면은 수용하고 반대측 표면은 노출시키도록 구성되어 있다. 또한, 바이폴라 플레이트에는, 상기 하단 유로 부재의 상기 하단 유로 홈에 연결되는 유입구과 상기 상단 유로 부재의 상기 상단 유로 홈에 연결되는 유출구와 상기 음극 부재를 향하여 산소 기체를 주입하도록 형성된 산소 주입구가 형성되어 있다. The bipolar plate is configured to accommodate a cathode member on one side. The cathode member refers to a structure in which the gas diffusion electrode is supported by the support plate and the lower flow path member and the upper flow path member are coupled to the lower and upper ends of the gas diffusion electrode, respectively. In particular, the bipolar plate is configured to receive one surface of the cathode member and expose the opposite surface. In addition, the bipolar plate is provided with an inlet connected to the bottom flow groove of the bottom flow member, an outlet connected to the top flow groove of the top flow member, and an oxygen inlet formed to inject oxygen gas toward the cathode member. .
가스켓은, 상기 바이폴라 플레이트를 덮도록 구성되는데, 이때, 음극 부재도 전체적으로 덮을 수 있다. 가스켓에는, 상기 바이폴라 플레이트를 덮을 때 상기 음극 부재에 대응하는 영역에, 하부에서 상부로 연장된 소정 폭의 슬릿이 복수 개 형성되어 있다. The gasket is configured to cover the bipolar plate, and at this time, the cathode member may also be entirely covered. In the gasket, a plurality of slits of a predetermined width extending from the bottom to the top are formed in an area corresponding to the cathode member when covering the bipolar plate.
이러한 구조에서, 상기 유입구로 유입되는 유체(예를 들면, 물 또는 전해질 용액)는, 상기 하단 유로 부재의 상기 하단 유로 홈을 따라 흐르고, 이어서 상기 복수의 슬릿을 따라 상기 음극 부재의 가스 확산 전극의 표면을 따라 흘러서 상기 상단 유로 부재의 상기 상단 유로 홈에 흘러들어간 후, 상기 유출구를 통해 유출되는 유로가 형성된다. In this structure, the fluid (e.g., water or electrolyte solution) flowing into the inlet flows along the bottom flow path groove of the bottom flow path member, and then flows through the gas diffusion electrode of the cathode member along the plurality of slits. A flow path is formed that flows along the surface, flows into the upper flow path groove of the upper flow path member, and then flows out through the outlet.
여기서, 음극 부재와 바이폴라 플레이트의 사이에는, 산소 주입구를 통해 주입된 산소 기체가 서포트 플레이트의 둘레 주변 부분으로는 누출되지 않도록, 밀봉 부재가 배치될 수 있다. 밀봉 부재는 예를 들면 오링일 수 있다. Here, a sealing member may be disposed between the cathode member and the bipolar plate to prevent oxygen gas injected through the oxygen inlet from leaking into the peripheral portion of the support plate. The sealing member may be an O-ring, for example.
또한, 상기 가스 확산 전극과 상기 서포트 플레이트는, 상기 통기구를 제외한 부분에서 산소 기체가 누출되지 않도록 소정의 밀봉 부재로 서로 밀봉될 수 있다. 밀봉 부재는, 예를 들면, 오링, 밀봉 기능을 갖는 접착제(예를 들면, 에폭시 몰딩)일 수 있으며, 다른 방법으로는, 용접일 수 있다.Additionally, the gas diffusion electrode and the support plate may be sealed to each other with a predetermined sealing member to prevent oxygen gas from leaking from areas other than the ventilation hole. The sealing member may be, for example, an O-ring, an adhesive with a sealing function (e.g., epoxy molding), or alternatively, it may be welded.
한편, 상기 상단 유로 부재, 상기 하단 유로 부재, 상기 가스켓 중 적어도 하나는 절연성 재질로 이루어질 수 있으며, 바이폴라 플레이트 및 서포트 플레이트, 그리고 도면에 도시된 픽스 볼트는 전도성 재질로 이루어질 수 있다. Meanwhile, at least one of the upper flow path member, the lower flow path member, and the gasket may be made of an insulating material, and the bipolar plate, the support plate, and the fix bolt shown in the drawing may be made of a conductive material.
가스 확산 전극(GDE)은 스테인레스 스틸 또는 티타늄을 주 재료로 하며, 타공, 메쉬, 폼이 형성된 평판 형태로 구성된다. 여기에, 전류 공급 기능과 가스 확산 기능을 제공하는 니켈 폼 레이어 그리고 촉매층이 형성되어 있다. 본 발명에서의 가스 확산 전극은 이러한 구조뿐만 아니라, 공지된 그리고 앞으로의 다양한 가스 확산 전극을 포함할 수 있다.The gas diffusion electrode (GDE) is mainly made of stainless steel or titanium and is composed of a flat plate with perforations, mesh, and foam. Here, a nickel foam layer and a catalyst layer that provide current supply and gas diffusion functions are formed. The gas diffusion electrode in the present invention may include not only this structure, but also various known and future gas diffusion electrodes.
전기 분해에 있어서, 양극 반응은 산소 발생 반응이며 아래의 반응식과 같이 표현될 수 있다. 또한, 음극 반응은 외부에서 공급되는 산소에 의한 과산화수소 발생 반응과 물 분해 반응에 의한 수소 발생 반응을 포함할 수 있으며, 아래의 반응식으로 표현될 수 있다. 본 발명에서는, 수소 발생 반응을 부반응으로 간주한다.In electrolysis, the anode reaction is an oxygen generation reaction and can be expressed as the reaction equation below. Additionally, the cathode reaction may include a hydrogen peroxide generation reaction by externally supplied oxygen and a hydrogen generation reaction by water decomposition reaction, and can be expressed in the reaction formula below. In the present invention, the hydrogen evolution reaction is regarded as a side reaction.
<양극 반응><Anode reaction>
H2O → 2H+ + 0.5O2 + 2e- H 2 O → 2H + + 0.5O 2 + 2e -
<음극 반응><Cathode reaction>
O2 + 2H+ + 2e- → H2O2 O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O 2
2H2O + 2e- → H2 + 2OH- 2H 2 O + 2e - → H 2 + 2OH -
GDE에서 산소 1mol과 수소 이온 2mol이 반응하여 과산화수소가 생성된다.In GDE, 1 mol of oxygen reacts with 2 mol of hydrogen ions to produce hydrogen peroxide.
GDE는 니켈 폼 위에 전도성 카본 파우더 또는 그레뉼 등과 PVDF, PTFE 등을 혼합하여 스프레이 코팅한 후, 핫 프레싱함으로써 제작될 수 있다. 여기서, 전도성 카본은, 카본 성분을 함유한 목질계 또는 석탄계 모두 가능하다. 이때, 카본은, 파우더 또는 그레뉼 상으로 적용이 가능한데, 특히, 10 마이크로 이하의 크기인 것이 더욱 바람직하다. 니켈 폼 위의 코팅은 브러쉬, 담지 등이 있으며, 스프레이 코팅이 더욱 바람직하다. 핫 프레싱 조건은 100~350 도 이내에서 10bar~300bar로 압축하는 것이 적합하다. GDE can be manufactured by spray coating a mixture of conductive carbon powder or granule and PVDF, PTFE, etc. on nickel foam and then hot pressing. Here, the conductive carbon can be either wood-based or coal-based containing a carbon component. At this time, carbon can be applied in the form of powder or granule, and in particular, it is more preferable to have a size of 10 micro or less. Coating on nickel foam includes brushing, dipping, etc., and spray coating is more preferable. Hot pressing conditions are suitable for compression between 10 bar and 300 bar within 100 to 350 degrees.
바이폴라 플레이트 위에, 산소 주입구로 주입되는 산소의 누출을 방지하기 위한 실리콘 오링이 배치된다. GDE는 슬릿 형태일 수 있는 통기구를 포함할 수 있으며 니켈로 이루어질 수 있는 서포트 플레이트 위에 조립될 수 있는데, 예를 들면, 픽스 볼트로 결합될 수 있다. 이 조립체는 도 3 내지 도 5에 도시되며, 음극 부재로 지칭된다. A silicon O-ring is placed on the bipolar plate to prevent leakage of oxygen injected into the oxygen inlet. The GDE may include vents, which may be in the form of slits, and may be assembled on a support plate, which may be made of nickel, for example joined with fix bolts. This assembly is shown in Figures 3-5 and is referred to as the cathode member.
여기서, 음극 부재에서 GDE의 둘레로 산소가 누출되는 것을 방지하기 위하여, 도 3에 도시된 바와 같이, GDE 최외곽 둘레를 서포트 플레이트에 용접하거나 에폭시로 몰딩을 형성할 수 있다. Here, in order to prevent oxygen from leaking from the cathode member to the circumference of the GDE, as shown in FIG. 3, the outermost circumference of the GDE can be welded to a support plate or molded with epoxy.
상단 유로 부재와 하단 유로 부재가, GDE 및/또는 서포트 플레이트에서 원치않는 전기화학적 부반응을 억제하기 위하여, GDE의 상단부 및 하단부에 각각 설치된다. 상단 유로 부재와 하단 유로 부재는 비전도성 재질일 수 있다. An upper flow path member and a lower flow path member are respectively installed at the upper and lower parts of the GDE to suppress unwanted electrochemical side reactions in the GDE and/or the support plate. The upper flow path member and the lower flow path member may be made of a non-conductive material.
유로의 향상된 차폐 및 누출 방지를 위하여, 유입구 및 유출구는 바이폴라 플레이트의 일부를 뚫어서 형성된다. 유입구는 하단 유로 부재의 하단 유로 홈과 연결되고, 유출구는 상단 유로 부재의 상단 유로 홈과 연결된다. For improved shielding and leakage prevention of the flow path, the inlet and outlet are formed by drilling a portion of the bipolar plate. The inlet is connected to the lower flow path groove of the lower flow path member, and the outlet is connected to the upper flow path groove of the upper flow path member.
한편, 바이폴라 플레이트는 스테인레스 스틸 또는 티타늄 재질의 금속으로 이루어질 수 있으며, 촉매가 도포되지 않으며, 산소 또한 공급되지 않는다. 전류를 공급하게 되면, 바이폴라 플레이트가 GDE 전극 촉매인 카본보다 전도성이 높기 때문에, 전류의 대부분은 유입구 및 유출구로 공급되게 되고, 과산화수소 대신에 수소가 발생되어 전류 효율을 크게 저하시킨다. 따라서, 비전도성 플라스틱으로 구성된 유로 부재를 이용하여 유입구와 유출구를 전기적으로 차폐시키고, 나머지 부분은 가스켓을 이용하여 차폐시킨다. 가스켓 또한 비전도성 재질로 이루어진다.Meanwhile, the bipolar plate may be made of stainless steel or titanium, no catalyst is applied, and oxygen is not supplied. When current is supplied, since the bipolar plate has higher conductivity than the carbon that is the GDE electrode catalyst, most of the current is supplied to the inlet and outlet, and hydrogen is generated instead of hydrogen peroxide, greatly reducing current efficiency. Therefore, the inlet and outlet are electrically shielded using a flow path member made of non-conductive plastic, and the remaining portion is shielded using a gasket. The gasket is also made of non-conductive material.
가스켓을 조립하여 본 발명에 따른 음극 구조체를 완료하고, 여기에 양이온 교환막과 양극 구조체를 조립하면 전기 분해가 가능한 구조가 완성된다(이에 대해서는 도시하지 않음).By assembling the gasket to complete the cathode structure according to the present invention, and then assembling the cation exchange membrane and the anode structure, a structure capable of electrolysis is completed (not shown).
본 발명에 따라 제조된 음극 구조체의 성능을 다음과 같이 시험하였다. 먼저, 증류수에 Na2SO4를 혼합하여 염분도 10PPT의 전해질 용액을 조제하였다. GDE는 가로 250mm, 세로 450mm의 크기로서, 전술한 바와 같은 제조 방법에 의해 제조하였다. 양극으로는 IrO2를 코팅한 티타늄 플레이트를 준비하였다. 전극 사이의 간격은 3mm로 설정하였고, 전해질 용액의 유입 유량은 0.5L/min으로 유지하고, 50A의 전류를 공급하였다. The performance of the cathode structure manufactured according to the present invention was tested as follows. First, Na 2 SO 4 was mixed with distilled water to prepare an electrolyte solution with a salinity of 10 PPT. The GDE was 250 mm wide and 450 mm long, and was manufactured using the manufacturing method described above. As an anode, a titanium plate coated with IrO 2 was prepared. The gap between electrodes was set to 3 mm, the inflow rate of the electrolyte solution was maintained at 0.5 L/min, and a current of 50 A was supplied.
이러한 조건에서, 상단 및 하단 유로 부재에 의한 차폐를 수행하지 않은 경우에는, 전류 효율이 20% 내외였다. 반면에, 상단 및 하단 유로 부재로 차폐를 실시한 경우에는, 전류 효율이 80% 이상으로 고효율이 유지되었다.Under these conditions, when shielding by the upper and lower flow path members was not performed, the current efficiency was around 20%. On the other hand, when shielding was performed with upper and lower flow path members, high efficiency was maintained with a current efficiency of over 80%.
한편, 바이폴라 플레이트의 둘레에 대한 밀봉 기능만 제공하는 기존의 가스켓은, 하부에서 유입되는 물(전해질)이 쏠림 현상으로 인해 GDE의 표면에 대해 균등한 물의 분배가 어려워 전류 효율이 저하한다. 반면에, 본 발명의 가스켓에는 물의 흐름을 유도하는 슬릿 형태의 유로가 형성되어 있으므로, GDE의 전체면에서 고르게 반응을 유도하여 전류 효율을 향상시킬 수 있다. Meanwhile, the existing gasket, which only provides a sealing function around the circumference of the bipolar plate, has difficulty distributing water evenly over the surface of the GDE due to concentration of water (electrolyte) flowing in from the bottom, reducing current efficiency. On the other hand, since the gasket of the present invention is formed with a slit-shaped flow path that induces water flow, current efficiency can be improved by inducing a reaction evenly on the entire surface of the GDE.
상기와 같은 시험 조건에서, 유출구와 유입구에 각각 차폐 기능을 제공하는 유로 부재를 설치한 상태에서, 가스켓에 슬릿 형태의 유로를 형성한 경우에는, 전류 효율은 마찬가지로 80% 이상의 고효율을 유지하였으나, 유로가 형성되지 않은 가스켓을 사용한 경우에는 전류 효율이 30~40% 로 저하되는 것을 확인하였다.Under the test conditions described above, when a slit-shaped flow path was formed in the gasket while flow path members providing a shielding function were installed at the outlet and the inlet, the current efficiency was maintained at a high efficiency of over 80%, but the flow path When a gasket without a gasket was used, it was confirmed that the current efficiency decreased to 30-40%.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above merely exemplify the technical idea of the present invention, and the scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the scope of the patent claims below. In addition, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention, and all technical ideas within the scope equivalent to the present invention will be disclosed in the present invention. It should be interpreted as being included within the scope of rights.
Claims (9)
상기 가스 확산 전극의 평면 형태 중 제1면을 지지하도록 구성된 서포트 플레이트;
상기 가스 확산 전극의 상기 하단부에 접하도록 배치된 하단 유로 부재 - 상기 하단 유로 부재에는, 상기 가스 확산 전극의 상기 하단부에서 떨어진 위치에 상기 하단부를 따른 횡방향으로 하단 유로 홈이 형성되어 있음 -;
상기 가스 확산 전극의 상기 상단부에 접하도록 배치된 상단 유로 부재 - 상기 상단 유로 부재에는, 상기 가스 확산 전극의 상기 상단부에서 떨어진 위치에 상기 상단부를 따른 횡방향으로 상단 유로 홈이 형성되어 있음 -;
상기 가스 확산 전극이 상기 서포트 플레이트에 의해 지지되고 또한 상기 가스 확산 전극의 하단부와 상단부에 상기 하단 유로 부재와 상기 상단 유로 부재가 각각 결합된 상태인 음극 부재의 일측면을 수용할 수 있도록 구성된 바이폴라 플레이트 - 상기 일측면은 상기 가스 확산 전극의 상기 제1면과 관련되며, 상기 바이폴라 플레이트에는, 상기 하단 유로 부재의 상기 하단 유로 홈에 연결되는 유입구와 상기 상단 유로 부재의 상기 상단 유로 홈에 연결되는 유출구와 상기 음극 부재를 향하여 산소 기체를 주입하도록 형성된 산소 주입구가 형성되어 있음 -; 및
상기 바이폴라 플레이트에 안착된 상기 음극 부재의 둘레 부분을 밀봉하면서 상기 바이폴라 플레이트를 덮도록 구성된 가스켓 - 이로써, 상기 가스켓은 상기 가스 확산 전극의 상기 제1면의 반대쪽면인 제2면을 덮으며, 또한, 상기 가스켓에는, 상기 바이폴라 플레이트를 덮은 경우에 상기 하단 유로 부재의 상기 하단 유로 홈으로부터 상기 상단 유로 부재의 상기 상단 유로 홈에 이르도록 종방향으로 연장된 소정 폭의 슬릿이 복수 개 형성되어 있음 -; 을 포함하고,
상기 바이폴라 플레이트의 상기 유입구로 유입되는 유체는, 상기 하단 유로 부재의 상기 하단 유로 홈을 따라 횡방향으로 흐르고, 이어서 상기 가스켓의 종방향으로 연장된 상기 복수의 슬릿을 따라 상기 가스 확산 전극의 제2면을 따라 종방향으로 흐르고, 상기 상단 유로 부재의 상기 상단 유로 홈에 흘러들어간 후, 상기 상단 유로 홈을 따라 횡방향으로 흘러서 상기 바이폴라 플레이트의 상기 유출구를 통해 유출되는 방식의 유로를 통해 흐르는 것을 특징으로 하는, 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체.A gas diffusion electrode having a flat shape with a lower end and an upper end extending in the transverse direction and having the characteristic of permeating oxygen gas and not permeating the electrolyte;
a support plate configured to support a first surface of the planar shape of the gas diffusion electrode;
a lower flow path member disposed in contact with the lower end of the gas diffusion electrode, wherein the lower flow path member has a lower flow path groove formed in the transverse direction along the lower end at a position away from the lower end of the gas diffusion electrode;
an upper flow path member disposed in contact with the upper end of the gas diffusion electrode, wherein an upper flow path groove is formed in the upper flow member in a transverse direction along the upper end at a position away from the upper end of the gas diffusion electrode;
The gas diffusion electrode is supported by the support plate and is a bipolar plate configured to accommodate one side of the cathode member in which the lower flow path member and the upper flow path member are coupled to the lower and upper ends of the gas diffusion electrode, respectively. - The one side is related to the first side of the gas diffusion electrode, and the bipolar plate has an inlet connected to the bottom flow groove of the bottom flow member and an outlet connected to the top flow groove of the top flow member. and an oxygen inlet formed to inject oxygen gas toward the cathode member. and
A gasket configured to cover the bipolar plate while sealing a peripheral portion of the cathode member seated on the bipolar plate, whereby the gasket covers a second side of the gas diffusion electrode opposite to the first side, and , the gasket, when covering the bipolar plate, is formed with a plurality of slits of a predetermined width extending in the longitudinal direction from the lower flow path groove of the lower flow path member to the upper flow path groove of the upper flow path member - ; Including,
The fluid flowing into the inlet of the bipolar plate flows laterally along the bottom flow groove of the bottom flow member, and then flows through the second gas diffusion electrode along the plurality of slits extending in the longitudinal direction of the gasket. Characterized by flowing in a longitudinal direction along the surface, flowing into the upper flow path groove of the upper flow path member, then flowing laterally along the upper flow path groove and flowing out through the outlet of the bipolar plate. A cathode structure for generating hydrogen peroxide having a gas diffusion electrode.
상기 서포트 플레이트에는, 상기 가스 확산 전극과 접촉하는 표면에 횡방향을 따라 연장된 복수의 통기구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체.
According to paragraph 1,
A cathode structure for generating hydrogen peroxide with a gas diffusion electrode, characterized in that the support plate is formed with a plurality of vent holes extending along the transverse direction on a surface in contact with the gas diffusion electrode.
상기 가스켓에 종방향으로 형성된 상기 복수의 슬릿은, 동일 폭의 직선 또는 형태, 가변 폭의 직선 또는 곡선 형태, 상기 동일 폭 또는 가변 폭의 직선 또는 곡선 형태가 동일한 간격으로 또는 가변 간격으로 배치된 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체.According to paragraph 1,
The plurality of slits formed in the longitudinal direction of the gasket are straight or curved with the same width, straight or curved with a variable width, and straight or curved with the same or variable width arranged at equal or variable intervals. A cathode structure for generating hydrogen peroxide having a gas diffusion electrode, characterized in that it consists of.
상기 음극 부재와 상기 바이폴라 플레이트의 사이에는, 상기 산소 주입구를 통해 주입된 산소 기체가 상기 서포트 플레이트의 상기 통기구 이외의 부분으로 누출되지 않도록 밀봉하기 위한 밀봉 부재가 배치되는 것을 특징으로 하는, 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체.According to paragraph 2,
A gas diffusion electrode, characterized in that a sealing member is disposed between the cathode member and the bipolar plate to prevent oxygen gas injected through the oxygen inlet from leaking to parts other than the vent hole of the support plate. A cathode structure for generating hydrogen peroxide.
상기 가스 확산 전극의 둘레는, 상기 서포트 플레이트의 상기 통기구를 제외한 부분에서 산소 기체가 누출되지 않도록 소정의 밀봉 부재로 밀봉되는 것을 특징으로 하는, 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체.According to paragraph 2,
A cathode structure for generating hydrogen peroxide with a gas diffusion electrode, characterized in that the circumference of the gas diffusion electrode is sealed with a predetermined sealing member to prevent oxygen gas from leaking from portions of the support plate other than the vent hole.
상기 상단 유로 부재, 상기 하단 유로 부재, 상기 가스켓 중 적어도 하나는 절연성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 가스 확산 전극을 구비한 과산화수소 발생용 음극 구조체.According to paragraph 1,
A cathode structure for generating hydrogen peroxide having a gas diffusion electrode, characterized in that at least one of the upper flow path member, the lower flow path member, and the gasket is made of an insulating material.
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