KR20190066866A - 전기화학적 산소 발생 장치 - Google Patents

전기화학적 산소 발생 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전원 장치의 제1극과 연결되는 애노드, 상기 전원 장치의 제2극과 연결되는 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체; 및 상기 캐소드에 물을 공급하기 위한 물공급원을 포함하고, 상기 캐소드에서는 물(H2O)과 산소(O2)의 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생되고, 상기 애노드에서는 상기 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치에 관한 것으로, 전기화학적 방법을 이용하므로, 무소음, 무진동으로 산소를 발생시킬 수 있고, 또한, 장치의 구성이 간단하여, 소형화가 가능한 전기화학적 산소 발생 장치를 제공할 수 있다.

Description

전기화학적 산소 발생 장치{Electrochemical Oxygen Generator}
본 발명은 전기화학적 산소 발생 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 휴대용, 가정용, 의료용, 차량용, 산업용의 산소발생기 또는 산소 펌프, 산소 컴프레서, 산소 농축기 등의 다양한 분야에 적용 가능한 전기화학적 산소 발생 장치에 관한 것이다.
최근 환경문제 등으로 대기오염이 심각해지면서 산소 관련 제품이 주목을 받고 있다.
일반적으로, 산소는 인류의 생존에 있어서 필수적인 요소로, 다양한 분야에서, 고순도의 산소를 필요에 따라 발생시키는 기술이 매우 중요시 여겨지고 있다.
예를 들어, 산소 발생 장치는, 휴대용, 가정용, 의료용, 차량용, 산업용의 산소발생기 또는 산소 펌프, 산소 컴프레서, 산소 농축기 등의 다양한 분야에 적용되고 있다.
이러한 산소 발생 장치는, 기존의 PSA 공법, 막분리 공법, 산소 탱크 등을 이용하는 산소 발생 기술이 사용되고 있다.
하지만, 종래의 산소 발생 기술인, PSA 공법, 막분리 공법 등의 경우, 복잡한 산소 발생 공정으로 시스템의 사이즈가 크고, 흡착제 등을 다량 사용해야 하는 관계로 가격이 높은 문제점이 있으며, 이들 공법의 경우, 압축기를 사용해야 하기 때문에 소음과 진동이 필수적으로 발생하게 된다.
따라서, PSA 공법, 막분리 공법 등을 이용한 따른 산소 발생 장치의 경우, 소형화가 곤란하고, 정숙이 요구되는 공간에서는 산소 발생 장치를 사용할 수 없기 때문에 대중화가 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 산소 탱크를 이용하는 산소 발생 장치는 가격을 낮출 수 있고 소형화가 가능하며 무소음 무진동을 실현할 수 있다는 장점은 있으나, 산소 발생 장치의 사용에 따라 주기적으로 전문 가스업체로부터 산소를 충전해야 하는 문제점이 있으며, 또한, 산소 발생 장치의 사용시간이 산소 탱크의 사이즈에 제한되는 등 사용하기에 매우 불편한 문제점이 있다.
한국 공개 특허 10-2016-0128951
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전기화학적 방법을 이용하므로, 무소음, 무진동으로 산소를 발생시킬 수 있고, 또한, 장치의 소형화가 가능한 전기화학적 산소 발생 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 캐소드에서는 물(H2O)과 산소(O2)의 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생되고, 애노드에서는 상기 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 캐소드에서 생성된 상기 수산화이온(OH-)은 상기 전해질막을 통과하여, 상기 애노드로 이동하는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 전원 장치의 제1극과 연결되는 애노드, 상기 전원 장치의 제2극과 연결되는 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체; 및 상기 캐소드에 물을 공급하기 위한 물공급원을 포함하고, 상기 캐소드에서는 물(H2O)과 산소(O2)의 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생되고, 상기 애노드에서는 상기 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 애노드에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원으로 회수하기 위한 물 회수라인을 더 포함하는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 애노드의 외측에 위치하는 제1외부 프레임부 및 상기 캐소드의 외측에 위치하는 제2외부 프레임부를 더 포함하며, 상기 제1외부 프레임부는, 제1외부 프레임; 상기 제1외부 프레임의 일측에 위치하는 물 배출구 및 상기 제1외부 프레임의 타측에 위치하는 산소 배출구를 포함하고, 상기 제2외부 프레임부는, 제2외부 프레임; 상기 제2외부 프레임의 일측에 위치하는 물 주입구 및 상기 제2외부 프레임의 타측에 위치하는 산소 주입구를 포함하는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 물공급원으로부터 공급되는 물(H2O)이 상기 물 주입구를 통해 상기 캐소드에 공급되고, 상기 산소공급부부터 공급되는 산소(O2)가 상기 산소 주입구를 통해 상기 캐소드로 공급되어, 상기 캐소드에 공급된 물(H2O)과 산소(O2)의 전기분해 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생되며, 상기 캐소드에서 생성된 수산화이온(OH-)은 상기 전해질막을 통과하여, 상기 애노드로 이동하고, 상기 애노드에서는, 상기 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생되어, 상기 발생된 산소(O2)는 산소 배출구를 통해 배출되고, 상기 발생된 물(H2O)은 상기 물 배출구를 통해 배출되는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 애노드는 제1지지체 및 상기 제1지지체의 일측에 위치하는 제1촉매층을 포함하며,
상기 제1지지체는 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본, 전도성고분자 또는 이들의 혼합물이고,
상기 제1촉매층은 Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S 및 Mo 금속 및 상기 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 캐소드는 제2지지체 및 상기 제2지지체의 일측에 위치하는 제2촉매층을 포함하고, 상기 제2지지체는 탄소 또는 전이 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질이고, 상기 제2촉매층은 Pt, Pd, Ir, Au, Ag 또는 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 캐소드는 제2지지체 및 상기 제2지지체의 일측에 위치하는 제2촉매층을 포함하고, 상기 제2지지체는 탄소 또는 전이 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질이고, 상기 제2촉매층은 Fe-N-C 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 Fe-N-C 촉매는 수소 생성 반응은 억제하고, 산소 환원 반응은 촉진시키는 것인 산소 발생 장치를 제공한다.
본 발명에서는, 막-전극 접합체; 일정 전원을 인가할 수 있는 전원장치; 및 상기 막-전극 접합체의 캐소드에 물을 공급할 수 있는 물공급원의 간단한 구성에 의하여, 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 구성할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 전기화학적 방법을 이용하므로, 무소음, 무진동으로 산소를 발생시킬 수 있고, 또한, 장치의 구성이 간단하여, 소형화가 가능한 전기화학적 산소 발생 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 원리를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예를 도시하는 개략적인 분리 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예를 도시하는 일부 결합사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예의 결합상태에서 가스켓을 제외하고 도시한 모식도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 전기화학적 산소 발생 장치를 설명하기 앞서, 일반적인 수전해 반응과 연료전지 반응을 설명하면 다음과 같다.
- 수전해 반응
애노드: 2H2O → O2 + 4H+ + 4e- (OER)
캐소드: 4H+ + 4e- → 2H2 (HER)
- 연료전지 반응
애노드: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (ORR)
캐소드: 2H2 → 4H+ + 4e- (HOR)
즉, 일반적인 수전해 반응의 경우, 애노드에서 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)이 일어나며, 캐소드에서 수소 생성 반응(HER; hydrogen evolution reaction)이 일어난다.
또한, 일반적인 연료전지의 반응에서는 애노드에서 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)이 일어나며, 캐소드에서 수소 산화 반응(HOR, hydrogen oxidation reaction)이 일어난다.
하지만, 본 발명에 따른 산소 발생 장치에서는, 애노드와 캐소드에서 하기와 같은 반응이 일어난다.
- 본 발명의 산소 발생 장치
캐소드: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
애노드: 4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
즉, 본 발명에서는 캐소드에서는 물(H2O)과 산소(O2)의 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생되고, 애노드에서는 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생된다.
도 1은 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 원리를 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 산소 발생 장치(10)는, 전원 장치(20)의 제1극과 연결되는 애노드(30); 상기 전원 장치의 제2극과 연결되는 캐소드(40); 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막(50)을 포함하는 막-전극 접합체(60)를 포함한다. 이때, 상기 제1극은 양극일 수 있으며, 상기 제2극은 음극일 수 있다.
이때, 상기 전해질막은 후술할 바와 같이, 상기 캐소드(40)에서 발생된 수산화이온(OH-)이 상기 전해질막(50)을 통과하여, 상기 애노드(30)로 이동할 수 있는 경로를 제공하는 것으로, 따라서, 상기 전해질막(50)은 음이온 교환수지막일 수 있다.
예를 들어, 당업계에서 양이온교환수지는 고분자 화합물인 중합체에 설폰산기(-SO3H) 등이 있는 합성수지로서, H+ 이온의 이동성을 증가시켜 저항을 낮추는데 기여하며, 상기 음이온교환수지는 양이온교환수지와 같이 모체가 되는 합성수지에 염기로 아미노기나 이미노기류가 결합한 고분자 아민으로, OH- 이온의 이동성을 증가시켜 저항을 낮추는데 기여하는 것이다.
이러한 음이온 교환수지막은 당업계에서 자명한 것이므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명에 따른 산소 발생 장치(10)는, 상기 캐소드(40)에 물을 공급하기 위한 물공급원(70)을 포함하며, 또한, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 산소공급부(미도시)를 포함한다.
이때, 상기 산소공급부(미도시)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 것으로, 일반적인 공기를 상기 캐소드에 공급함으로써, 상기 산소공급부(미도시)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있다.
따라서, 상기 캐소드(40)를 공기에 노출시키는 것으로도 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있으므로, 본 발명에서 상기 산소공급부의 유무를 제한하는 것은 아니다.
한편, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 막-전극 접합체(60)의 애노드와 캐소드에서는 하기와 같은 반응이 일어난다.
캐소드: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH-
애노드: 4OH- → O2 + 2H2O + 4e-
즉, 본 발명에서는 캐소드(40)에서는 상기 물공급원으로부터 공급되는 물(H2O)과 상기 산소공급부로부터 공급되는 산소(O2)의 전기분해 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생된다.
이때, 상기 캐소드(40)에서 생성된 수산화이온(OH-)은 상기 전해질막(50)을 통과하여, 상기 애노드(30)로 이동하게 된다.
이후, 상기 애노드(30)에서는, 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생된다.
즉, 본 발명에서, 상기 캐소드(40)에서는 물(H2O)과 산소(O2)의 전기분해 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생되고, 상기 애노드(30)에서는 수산화이온(OH-)의 산화반응에 의하여, 물(H2O)과 산소(O2)가 발생된다.
한편, 본 발명에 따른 산소 발생 장치(10)는, 상기 애노드(30)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하기 위한 물 회수라인(90)을 더 포함할 수 있으며, 다만, 도면에서는 상기 애노드(30)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하는 것으로 도시하고 있으나, 이와는 달리, 상기 캐소드(40)에서 발생된 물(H2O)은 임의의 배출라인을 통해 배출시킬 수 있다.
다만, 본 발명에서는, 상기 물공급원(70)으로부터 상기 캐노드에 물(H2O)을 공급하는 것이 필수적이므로, 즉, 상기 물공급원(70)이 필수적인 구성에 해당하므로, 상기 애노드(30)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 이상과 같은, 애노드와 캐소드의 반응에 의하여, 상기 애노드에서 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 구성할 수 있다.
즉, 상기 애노드에서 발생되는 산소(O2)는, 휴대용, 가정용, 의료용, 차량용, 산업용의 산소발생기 또는 산소 펌프, 산소 컴프레서, 산소 농축기 등의 다양한 분야에 적용이 가능하다.
이때, 상술한 본 발명에 따른 산소 발생 장치에서 알 수 있는 바와 같이, 애노드(30), 캐소드(40), 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막(50)을 포함하는 막-전극 접합체(60); 상기 애노드와 상기 캐소드에 일정 전원을 인가할 수 있는 전원장치(20); 및 상기 애노드에 물을 공급할 수 있는 물공급원(70)의 간단한 구성에 의하여, 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 구성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 종래의 산소 발생 장치를 구현하는 산소 발생 기술 중, PSA 공법, 막분리 공법 등의 경우, 복잡한 산소 발생 공정으로 시스템의 사이즈가 크고, 흡착제 등을 다량 사용해야 하는 관계로 가격이 높은 문제점이 있으며, 이들 공법의 경우, 압축기를 사용해야 하기 때문에 소음과 진동이 필수적으로 발생하게 되는 문제점이 있다.
또한, 산소 탱크를 이용하는 산소 발생 장치는 산소 발생 장치의 사용에 따라 주기적으로 전문 가스업체로부터 산소를 충전해야 하는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명에서는, 막-전극 접합체(60); 일정 전원을 인가할 수 있는 전원장치(20); 및 상기 막-전극 접합체의 애노드에 물을 공급할 수 있는 물공급원(70)의 간단한 구성에 의하여, 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 구성할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 전기화학적 방법을 이용하므로, 무소음, 무진동으로 산소를 발생시킬 수 있고, 또한, 장치의 구성이 간단하여, 소형화가 가능한 전기화학적 산소 발생 장치를 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예를 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예를 도시하는 개략적인 분리 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예를 도시하는 일부 결합사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예의 결합상태에서 가스켓을 제외하고 도시한 모식도이다.
다만, 후술할 바와 같은 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예는, 상술한 도 1의 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 원리를 적용한 일예를 도시할 뿐이며, 따라서, 본 발명의 권리범위는 도 2 내지 3의 산소 발생 장치의 적용예에 제한되는 것은 아니다.
또한, 도 2 내지 도 4의 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예는, 상술한 도 1과 비교하여 동일한 구성은 동일한 도면부호를 사용하였다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 전원 장치(20)의 제1극과 연결되는 애노드(30); 상기 전원 장치의 제2극과 연결되는 캐소드(40); 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막(50)을 포함하는 막-전극 접합체(60)를 포함한다. 이때, 상기 제1극은 양극일 수 있으며, 상기 제2극은 음극일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 상기 캐소드(40)에 물을 공급하기 위한 물공급원(70)을 포함하며, 또한, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 산소공급부(미도시)를 포함한다.
이때, 상술한 바와 같이, 상기 산소공급부(미도시)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 것으로, 일반적인 공기를 상기 캐소드에 노출함으로써, 상기 산소공급부(미도시)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있으므로, 본 발명에서 상기 산소공급부의 유무를 제한하는 것은 아니다.
또한, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 상기 애노드(30)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하기 위한 물 회수라인(90)을 더 포함할 수 있다.
계속해서, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 상기 애노드(30)의 외측에 위치하는 제1외부 프레임부(110)를 포함하며, 상기 캐소드(40)의 외측에 위치하는 제2외부 프레임부(120)를 포함한다.
이때, 상기 제1외부 프레임부(110)는, 제1외부 프레임(111); 상기 제1외부 프레임(111)의 일측에 위치하는 물 배출구(113) 및 상기 제1외부 프레임(111)의 타측에 위치하는 산소 배출구(112)를 포함한다.
또한, 상기 제2외부 프레임부(120)는, 제2외부 프레임(121); 상기 제2외부 프레임(121)의 일측에 위치하는 물 주입구(122) 및 상기 제2외부 프레임(121)의 타측에 위치하는 산소 주입구(123)를 포함한다.
이때, 도면에서는 설명의 편의를 위하여, 상기 제2외부 프레임(121)의 일측에 물 주입구(122)가 위치하고, 또한, 상기 제2외부 프레임(121)의 타측에 산소 주입구(123)가 위치하는 것으로 도시하고 있으나, 본 발명에서 상기 물 주입구(122) 및 상기 산소 주입구(123)의 위치를 제한하는 것은 아니다.
즉, 본 발명에서는 상기 물공급원(70)으로부터 공급되는 물(H2O)이 상기 물 주입구(122)를 통해 상기 캐소드(40)에 공급되고, 또한, 상기 산소공급부(미도시)로부터 공급되는 산소(O2)가 상기 산소 주입구(123)를 통해 상기 캐소드(40)로 공급되며, 상기 캐소드에 공급된 물(H2O)과 산소(O2)의 전기분해 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생된다.
또한, 상기 캐소드(40)에서 생성된 수산화이온(OH-)은 상기 전해질막(50)을 통과하여, 상기 애노드(30)로 이동하게 된다.
이후, 상기 애노드(30)에서는, 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생되며, 상기 발생된 산소(O2)는 산소 배출구(112)를 통해 배출되며, 또한, 상기 발생된 물(H2O)은 상기 물 배출구(113)를 통해 배출될 수 있다.
이때, 도면에서는 설명의 편의를 위하여, 상기 제1외부 프레임(111)의 일측에 물 배출구(113)가 위치하고, 또한, 상기 제1외부 프레임(111)의 타측에 산소 배출구(112)가 위치하는 것으로 도시하고 있으나, 본 발명에서 상기 물 배출구(113)와 상기 산소 배출구(112)의 위치를 제한하는 것은 아니다.
한편, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 산소 발생 장치(10)는, 상기 애노드(30)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하기 위한 물 회수라인(90)을 더 포함할 수 있으며, 다만, 도면에서는 상기 애노드(30)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하는 것으로 도시하고 있으나, 이와는 달리, 상기 캐소드(40)에서 발생된 물(H2O)은 임의의 배출라인을 통해 배출시킬 수 있다.
다만, 본 발명에서는, 상기 물공급원(70)으로부터 상기 캐노드에 물(H2O)을 공급하는 것이 필수적이므로, 즉, 상기 물공급원(70)이 필수적인 구성에 해당하므로, 상기 애노드(30)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하는 것이 바람직하다.
계속해서, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 상기 제1외부 프레임부(110) 및 상기 제2외부 프레임부(120)의 사이에 위치하는 가스켓부(130)를 포함한다.
상기 가스켓부(130)는 상기 제1외부 프레임부(110) 및 상기 제2외부 프레임부(120)에 체결되는 가스켓 프레임(131) 및 상기 가스켓 프레임(131)의 내측에 위치하는 중공부(132)를 포함한다.
상기 가스켓 프레임(131)은 테프론 또는 실리콘 재질일 수 있다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 중공부(132)에는, 애노드(30), 캐소드(40), 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막(50)을 포함하는 막-전극 접합체(60)가 위치할 수 있다.
상기 가스켓부(130)는 상기 막-전극 접합체(60)를 지지하면서, 상기 막-전극 접합체(60)에 공급되는 물 또는 상기 막-전극 접합체(60)에서 발생되는 물 등이 외부로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 산소 발생 장치를 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 상기 애노드(30)는 제1지지체, 상기 제1지지체의 일측에 위치하는 제1촉매층, 및 상기 제1지지체의 타측에 위치하는 제1기체확산층을 포함할 수 있다.
상기 제1지지체는 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본, 전도성고분자 또는 이들의 혼합물일 수 있다.
상기 제1촉매층은 Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S 및 Mo 금속 및 상기 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 촉매일 수 있으며, 상기 제1촉매층은 상기 제1지지체 상에 담지된 상태일 수 있다.
다음으로, 상기 캐소드(40)는 제2지지체, 상기 제2지지체의 일측에 위치하는 제2촉매층, 및 상기 제2지지체의 타측에 위치하는 제2기체확산층을 포함할 수 있다.
상기 제2지지체는 탄소 또는 전이 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질일 있다.
상기 제2촉매층은 Pt, Pd, Ir, Au, Ag 또는 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 촉매일 수 있으며, 상기 제2촉매층은 상기 제2지지체 상에 담지된 상태일 수 있다.
이때, 상기 Pt, Pd, Ir, Au, Ag의 합금은 Pt, Pd, Ir, Au 및 Ag로 이루어진 군에서 선택되는 금속과 전이 금속, 알카리 금속 및 란타넘족 금속이 합금화된 것일 수 있다.
상기 전이 금속은 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta, W, Re 및 Os로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이고, 상기 알카리 금속은 K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Cr, Ba 및 Ra로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나이며, 상기 란타넘족 금속은 La, Y, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Yb 및 Lu로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나일 수 있다.
또한, 이와는 달리, 상기 제2촉매층은 Fe-N 배위 결합을 갖는 비귀금속 산소 환원 반응용 촉매일 수 있으며, 상기 제2촉매층은 상기 제2지지체 상에 담지된 상태일 수 있다.
이때, 본 발명에서 캐소드용 촉매인 상기 제2촉매층은 Fe-N-C 촉매를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 Fe-N-C 촉매는 수소 생성 반응은 억제하고, 산소 환원 반응은 촉진시킬 수 있으므로, 즉, 수소 생성 반응이 발생하지 않아 넓은 범위의 전위에서 사용이 될 수 있다.
한편, 상기 제1기체확산층 및 상기 제2기체확산층은 반응 기체가 촉매층으로 용이하게 접근할 수 있도록 하는 역할을 수행하며, 이러한 역할을 수행한다면 기체확산층으로 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 카본페이퍼, 카본크로스, 또는 메쉬 형태의 금속판재를 포함할 수 있다.
상기 메쉬 형태의 금속판재는 스테인레스계 메쉬, 티탄계 메쉬 또는 니켈계 메쉬일 수 있다.
다만, 본 발명에서 상기 제1기체확산층 및 상기 제2기체확산층의 재질을 제한하는 것은 아니다.
다음으로, 상기 전해질막(50)은 캐소드에서 발생한 수산화 이온이 애노드로 전달되는 전달 통로가 되는 것으로, 수산화 이온 교환 특성을 갖는 고분자 전해질 막일 수 있다.
즉, 상기 전해질막은 상기 캐소드(40)에서 발생된 수산화이온(OH-)이 상기 전해질막(50)을 통과하여, 상기 애노드(30)로 이동할 수 있는 경로를 제공하는 것으로, 따라서, 상기 전해질막(50)은 음이온 교환수지막일 수 있다.
예를 들어, 상기 음이온교환수지는 고분자 화합물인 중합체에 염기로 아미노기나 이미노기류가 결합한 고분자 아민으로, OH- 이온의 이동성을 증가시켜 저항을 낮추는데 기여할 수 있다.
이때, 상기 중합체는 술폰화 폴리술폰 공중합체, 술포네이티드 폴리(에테르-케톤)계 고분자, 과불소화 술폰산기 함유 고분자, 술포네이티드 폴리에테르 에테르 케톤계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리스티렌계 고분자, 폴리술폰계 고분자 및 클레이-술폰화 폴리술폰 나노 복합체(Clay-sulfonated Polysulfone Nanocomposite)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전해질막은 수계 용매를 포함할 수 있으며, 상기 수계 용매는 H2SO4, HClO4, K2SO4, Na2SO4, H3PO4, H4P2O7, K2PO4, Na3PO4, K3PO4, HNO3, KNO3 및 NaNO3 중에서 선택되는 적어도 어느 하나인 수 있다.
상기 전해질막의 두께는 예를 들면, 5 내지 300㎛, 10 내지 200㎛, 15 내지 100㎛이고, 이때 상기 전해질막의 두께가 5㎛ 미만이면 기계적 강도가 낮아지고, 화학적 안정성이 저하되고, 300㎛ 초과이면 전기저항이 증가할 수 있다.
한편, 상기 막-전극 접합체를 구성하기 위하여, 애노드, 캐소드 및 전해질막의 접합이 요구되며, 이러한 접합은 열가압 방법 등에 의해서 수행될 수 있다. 예를 들면, 핫프레스 장비를 이용하여, 온도는 120 내지 150℃에서, 시간은 0.1 내지 10분간 50 내지 200kgf/c㎠으로 열가압 접합 공정을 실시할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실험예를 설명하기로 하며, 다만, 본 발명의 권리범위는 하기의 실험예에 제한되는 것은 아니다.
[실험예]
백금 전구체로서 헥사클로로 백금산염(hexachloroplatinum acid)과 니켈 전구체로서 니켈 클로라이드(Ni chloride)를 준비하였다. 상기 백금 전구체와 니켈 전구체를 H2/Ar 혼합 가스로 300℃에서 2시간 열처리하여, 캐소드 (백금) 및 애노드 (니켈) 촉매를 제작하였다.
이는 백금 및 니켈 촉매를 열처리 방법으로 합성한 예이며, 기타 금속 합금 제작의 다른 방법 예컨대 유기 계면활성제를 이용한 합성법, 아크 용융법, 전기도금법 및 전기증착법으로 제작될 수 있다.
즉, 캐소드에 백금 촉매를 사용하고 애노드에 나노다공성 구조의 니켈 촉매를 사용하여 막 전극 접합체를 제작하였다.
이후, 물공급원으로부터 공급되는 물(H2O)과 산소공급부로부터 공급되는 산소(O2)가 상기 캐소드로 공급되어, 상기 캐소드에 공급된 물(H2O)과 산소(O2)의 전기분해 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생되었다.
또한, 상기 캐소드에서 생성된 수산화이온(OH-)은 전해질막을 통과하여, 상기 애노드로 이동하게 되고, 이후, 상기 애노드에서는, 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생되었다.
이러한 막 전극 접합체의 단위 전지 평가를 진행하였으며, 100mA/㎠의 전류 밀도에서 작동하였을 경우, 애노드의 산소 발생량은 35㎤/min임을 확인하였고 캐소드에서의 잔여 산소양이 0.01% 미만으로 확인되었다.
이상과 같이, 본 발명에서는, 막-전극 접합체(60); 일정 전원을 인가할 수 있는 전원장치(20); 및 상기 막-전극 접합체의 애노드에 물을 공급할 수 있는 물공급원(70)의 간단한 구성에 의하여, 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치를 구성할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 전기화학적 방법을 이용하므로, 무소음, 무진동으로 산소를 발생시킬 수 있고, 또한, 장치의 구성이 간단하여, 소형화가 가능한 전기화학적 산소 발생 장치를 제공할 수 있다.
이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 캐소드에서는 물(H2O)과 산소(O2)의 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생되고, 애노드에서는 상기 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드에서 생성된 상기 수산화이온(OH-)은 상기 전해질막을 통과하여, 상기 애노드로 이동하는 산소 발생 장치.
  3. 전원 장치의 제1극과 연결되는 애노드, 상기 전원 장치의 제2극과 연결되는 캐소드, 및 상기 애노드와 상기 캐소드의 사이에 구비되는 전해질막을 포함하는 막-전극 접합체; 및
    상기 캐소드에 물을 공급하기 위한 물공급원을 포함하고,
    상기 캐소드에서는 물(H2O)과 산소(O2)의 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생되고, 상기 애노드에서는 상기 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생되는 산소 발생 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 애노드에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원으로 회수하기 위한 물 회수라인을 더 포함하는 산소 발생 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 애노드의 외측에 위치하는 제1외부 프레임부 및 상기 캐소드의 외측에 위치하는 제2외부 프레임부를 더 포함하며,
    상기 제1외부 프레임부는, 제1외부 프레임; 상기 제1외부 프레임의 일측에 위치하는 물 배출구 및 상기 제1외부 프레임의 타측에 위치하는 산소 배출구를 포함하고,
    상기 제2외부 프레임부는, 제2외부 프레임; 상기 제2외부 프레임의 일측에 위치하는 물 주입구 및 상기 제2외부 프레임의 타측에 위치하는 산소 주입구를 포함하는 산소 발생 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 물공급원으로부터 공급되는 물(H2O)이 상기 물 주입구를 통해 상기 캐소드에 공급되고, 상기 산소공급부부터 공급되는 산소(O2)가 상기 산소 주입구를 통해 상기 캐소드로 공급되어, 상기 캐소드에 공급된 물(H2O)과 산소(O2)의 전기분해 반응에 의하여 수산화이온(OH-)이 발생되며,
    상기 캐소드에서 생성된 수산화이온(OH-)은 상기 전해질막을 통과하여, 상기 애노드로 이동하고,
    상기 애노드에서는, 상기 수산화이온(OH-)의 산화에 의해 물(H2O)과 산소(O2)가 발생되어, 상기 발생된 산소(O2)는 산소 배출구를 통해 배출되고, 상기 발생된 물(H2O)은 상기 물 배출구를 통해 배출되는 산소 발생 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 애노드는 제1지지체 및 상기 제1지지체의 일측에 위치하는 제1촉매층을 포함하며,
    상기 제1지지체는 카본블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 활성 탄소 분말, 탄소 분자체, 탄소나노튜브, 미세 기공을 갖고 있는 활성탄, 메조포러스 카본, 전도성고분자 또는 이들의 혼합물이고,
    상기 제1촉매층은 Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S 및 Mo 금속 및 상기 금속의 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐소드는 제2지지체 및 상기 제2지지체의 일측에 위치하는 제2촉매층을 포함하고,
    상기 제2지지체는 탄소 또는 전이 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질이고,
    상기 제2촉매층은 Pt, Pd, Ir, Au, Ag 또는 이들의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐소드는 제2지지체 및 상기 제2지지체의 일측에 위치하는 제2촉매층을 포함하고,
    상기 제2지지체는 탄소 또는 전이 금속 산화물, 질화물, 탄화물, 인화물, 황화물로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 물질이고,
    상기 제2촉매층은 Fe-N-C 촉매인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 Fe-N-C 촉매는 수소 생성 반응은 억제하고, 산소 환원 반응은 촉진시키는 것인 산소 발생 장치.
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