KR20210049454A - Water electroysis bipolar plate structure for producing hydrogen peroxide - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a bipolar plate structure provided with an electrical shielding means to prevent electrical corrosion caused by anode and cathode, and provides the electrolysis bipolar plate structure, wherein a bipolar plate is interposed in a center, a cathode portion including a cathode serving as a gas diffusion electrode (GDE) is coupled to one surface of the bipolar plate, and an anode portion including an anode is coupled to the opposite surface, and between the bipolar plate and the cathode portion and the anode portion includes an electrical shielding means for preventing electrical corrosion caused by the anode and the cathode, in which the bipolar plate has recesses of a certain depth for installation of a cathode and an anode on one side and the opposite side, respectively, a running water inlet and a running water outlet are formed for the flow of water in the cathode and anode portions at the upper and lower corresponding ends of both sides of the bipolar plate extending outwardly from the recess, respectively, and the cathode portion is configured to be coupled to a cathode, a cathode shielding plate, and a gasket for covering the entire cathode portion.

Description

과산화수소 생성을 위한 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체{WATER ELECTROYSIS BIPOLAR PLATE STRUCTURE FOR PRODUCING HYDROGEN PEROXIDE}Water electrolysis bipolar plate structure for generating hydrogen peroxide {WATER ELECTROYSIS BIPOLAR PLATE STRUCTURE FOR PRODUCING HYDROGEN PEROXIDE}

본 발명은 산화제 발생용 전기분해 장치에서 사용되는 수전해용 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식을 방지하기 위한 전기적 차폐수단이 구비된 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체에 관한 것이다. The present invention relates to a bipolar plate for water electrolysis used in an electrolysis device for generating an oxidizing agent, and more particularly, to a bipolar plate structure for water electrolysis provided with an electrical shielding means for preventing electrical corrosion due to an anode and a cathode. .

과산화수소는 강력한 산화력이 있어, 화학적 합성, 수처리, 펄프 및 제지공정, 표백제, 촉매 등에 다양하게 사용된다. 또한, 과산화수소는 친화경적인 특성으로 인해 염소를 대체할 수 있고, 산소의 발생 및 공급을 필요로 하는 분야에서 사용될 수 있다. Hydrogen peroxide has a strong oxidizing power and is used in various ways such as chemical synthesis, water treatment, pulp and paper processes, bleaching agents, and catalysts. In addition, hydrogen peroxide can replace chlorine due to its friendly properties, and can be used in fields requiring the generation and supply of oxygen.

일반적으로 과산화수소의 생산은 공기 중의 산소를 안트라퀴논이나 이소프로필알코올 같은 유기화합물과 반응시켜 만들어지며, 상업적으로는 대개 농도가 35, 50, 70 및 90%인 수용액으로 만들고 있다.In general, the production of hydrogen peroxide is made by reacting oxygen in the air with organic compounds such as anthraquinone or isopropyl alcohol, and commercially, it is made into an aqueous solution having a concentration of 35, 50, 70 and 90%.

도 1은 과산화수소 생성을 위한 전기분해장치의 모식도로서, 전기분해를 이용한 공지의 과산화수소 발생장치는 전기분해가 이루어지는 반응기, 반응기 내부에 설치된 양극, H+ 이동막 및 음극(가스확산전극;GDE)을 구비하고, 양극 및 음극에 의해 반응기 내부의 공간은 3부분으로 분리된다. 이때, 양극과 음극 사이의 공간으로 양극 바깥쪽에 유입된 전해질에서 발생한 H+가 양극과 H+ 이동막을 거쳐 유입되고, 가스확산전극을 통해, 가스확산전극 외부에 공급된 산소기체가 상기 공간으로 유입되어 과산화수소가 생성된다. 1 is a schematic diagram of an electrolysis device for generating hydrogen peroxide. A known hydrogen peroxide generator using electrolysis includes a reactor in which electrolysis is performed, an anode installed in the reactor, an H+ moving membrane, and a cathode (gas diffusion electrode; GDE). And, the space inside the reactor is divided into three parts by the anode and the cathode. At this time, H+ generated from the electrolyte flowing outside the anode into the space between the anode and the cathode flows through the anode and the H+ transfer membrane, and oxygen gas supplied to the outside of the gas diffusion electrode through the gas diffusion electrode flows into the space and hydrogen peroxide. Is created.

일반적으로 과산화수소는 가정용 소독제부터 폐수처리용 산화제, 피혁가공 표백제 등 사용분야가 매우 다양한 화학약품으로서, 이 중 폐수처리용, 피혁가공 표백제 등에 대량으로 사용되고 있으며, 인체에 접촉될 경우 화상의 위험성이 있고 산화력이 매우 높기 때문에 유기용제와 반응하여 대폭발이 일어날 수 있다. In general, hydrogen peroxide is a wide variety of chemicals, including household disinfectants, oxidizers for wastewater treatment, and bleach for leather processing. Among them, hydrogen peroxide is widely used for wastewater treatment and bleach for leather processing, and there is a risk of burns when it comes into contact with the human body. Since the oxidizing power is very high, it can react with organic solvents and cause a large explosion.

따라서, 과산화수소는 많은 양을 사용할 경우 운반(이송), 보관 및 사용하는데 있어 사용자에게 많은 위험성이 존재하므로 일반적으로 저장용량이 300kg 이상일 경우 제6류 위험물로 지정·관리되고 있다. Therefore, when a large amount of hydrogen peroxide is used, there are many dangers to the user in transport (transport), storage, and use. Therefore, in general, if the storage capacity is 300 kg or more, it is designated and managed as Class 6 dangerous goods.

또한, 과산화수소의 농도가 높을 경우 폭발위험성이 있기 때문에 물과 일정 전해질을 전기분해하고 산소 또는 공기를 불어넣어 주어 최대 35% 이내의 농도로 제조하는 방법이 적용된다. In addition, since there is a risk of explosion when the concentration of hydrogen peroxide is high, a method of electrolyzing water and a certain electrolyte and blowing oxygen or air to produce a concentration within a maximum of 35% is applied.

한편, 본 출원인은 음극에 산소를 투입하여 전기화학적 반응으로 현장에서 과산화수소를 생산할 수 있도록 하는 전기분해장치와 관련하여 출원하여 특허 제1,907,642호, 제1,910,636호 및 제1,932,163호로 등록을 받았다. 이러한 전기분해장치에 의하면, 필요한 양 만큼 실시간으로 생산하기 때문에 저장탱크의 사이즈를 최소화할 수 있으며, 수분 증발에 따른 고농도화 폭발 위험성을 저감할 수 있고 사용자의 핸들링을 최소화할 수 있어 기존의 약품을 구매/운반/보관/사용에 따른 위험성을 크게 줄일 수 있다. On the other hand, the applicant of the present invention has applied for an electrolysis device that can produce hydrogen peroxide on-site through an electrochemical reaction by introducing oxygen into the cathode, and has been registered as patents 1,907,642, 1,910,636 and 1,932,163. According to such an electrolysis device, the size of the storage tank can be minimized because it produces the required amount in real time, and it is possible to reduce the risk of high concentration explosion due to evaporation of moisture, and to minimize user handling. It can greatly reduce the risk of purchase/transport/storage/use.

그러나, 전기분해장치에서 단일 셀 각각에서 양극과 음극 부스바를 체결하여 전류를 인가시키는 구조는 전해질의 누수 포인트가 많아지고 전선 케이블의 연결이 복잡해질 뿐만 아니라, 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식이 발생하게 되는 문제가 있다. However, in the electrolysis device, the structure of applying current by fastening the anode and cathode busbars in each single cell increases the leakage points of the electrolyte, complicates the connection of wires and cables, and causes electrical corrosion due to the anode and the cathode. There is a problem to be done.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 개발된 것으로, 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식을 방지하기 위한 전기적 차폐수단이 구비된 바이폴라 플레이트 구조체를 제공하는데 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention has been developed to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a bipolar plate structure provided with an electrical shielding means for preventing electrical corrosion due to an anode and a cathode.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 바이폴라 플레이트를 중앙으로 상기 바이폴라 플레이트의 한쪽 면에 가스확산 전극(GDE)인 음극을 포함하는 음극부와 반대쪽 면에 양극을 포함하는 양극부가 각각 결합되고, 상기 바이폴라 플레이트와 음극부 및 양극부 사이에 상기 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식을 방지하기 위한 전기적 차폐 수단을 포함하는 과산화수소 발생용 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체로서, 상기 바이폴라 플레이트는 한쪽 면과 반대쪽 면에 각각 음극과 양극의 설치를 위한 일정한 깊이의 요부를 가지며, 상기 요부로부터 외측으로 연장된 상기 바이폴라 플레이트의 양쪽 면의 상하 대응 단부에는 상기 음극부 및 양극부에서의 물의 유동을 위해 유수 유입구와 유수 유출구가 각각 형성되어 있고, 상기 음극부는 음극과 음극 차폐 플레이트, 및 상기 음극부 전체를 커버하기 위한 가스켓의 결합 구성으로 이루어지고, 상기 양극부는 양극과 양극 차폐 플레이트, 및 상기 양극부 전체를 커버하기 위한 가스켓의 결합 구성으로 이루어진 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체가 제공된다.According to one aspect of the present invention for achieving the above object, the bipolar plate is centered on one side of the bipolar plate, and a cathode portion including a cathode, which is a gas diffusion electrode (GDE), and an anode portion including an anode on the opposite side. An electrolytic bipolar plate structure for generating hydrogen peroxide comprising an electrical shielding means for preventing electrical corrosion due to the anode and the cathode between the bipolar plate and the cathode portion and the anode portion, respectively, wherein the bipolar plate has one side The opposite side of the plate has recesses of a certain depth for installation of the cathode and anode, respectively, and the upper and lower corresponding ends of both sides of the bipolar plate extending outward from the recess are flowing water for the flow of water in the cathode and anode parts. An inlet port and a flowing water outlet port are respectively formed, and the cathode portion is composed of a combination of a cathode and a cathode shielding plate, and a gasket for covering the entire cathode portion, and the anode portion is an anode and an anode shielding plate, and the entire anode portion There is provided an electrolytic bipolar plate structure consisting of a coupling configuration of a gasket for covering.

본 발명에 따르면, 음극부는 상기 음극을 상기 바이폴라 플레이트에 대하여 지지하기 위한 GDE 음극 서포트를 더 포함하고, 상기 GDE 음극 서포트는 용접에 의해 상기 음극과 일체로 결합되어 제공되며, 상기 음극부 측의 요부의 일 측단에는 상기 가스확산전극(GDE)인 음극에 대하여 외부로부터의 산소 공급을 위한 산소 투입구가 제공된다. According to the present invention, the cathode portion further includes a GDE cathode support for supporting the cathode with respect to the bipolar plate, and the GDE cathode support is provided by being integrally coupled with the cathode by welding, and a concave portion on the cathode side An oxygen inlet for supplying oxygen from the outside is provided at one end of the gas diffusion electrode GDE.

또한, 바이폴라 플레이트는 한쪽 면과 반대쪽 면의 각 요부의 상하 대응 단부들에는 음극 차폐 플레이트와 양극 차폐 플레이트를 설치하기 위한 스페이스가 각각 마련되어 이들 상하 스페이스들에 상기 음극 차폐 플레이트와 상기 양극 차폐 플레이트가 각각 결합되고, 상기 음극 차폐 플레이트는 상기 음극으로부터 상기 바이폴라 플레이트로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 상기 바이폴라 플레이트의 한쪽 면의 상하 스페이스들에 각각 부착 또는 고정되어 상기 음극의 상단 및 하단과 상기 바이폴라 플레이트 사이를 이격시키도록 구성되며, PVC, PP, PTFE를 포함하는 플라스틱 계열 소재 중 1종 이상으로 이루어지고, 상기 양극 차폐 플레이트는 상기 양극으로부터 상기 바이폴라 플레이트로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 상기 바이폴라 플레이트의 반대쪽 면의 상하 스페이스들에 부착 또는 고정되어 상기 양극의 상단 및 하단과 바이폴라 플레이트 사이를 이격시키도록 구성되며, PVC, PP, PTFE 등 플라스틱 계열 소재 중 1종 이상으로 이루어지고, 상기 가스켓은 음극부 및 양극부를 따라 유동하는 물의 누수를 막음과 동시에 상기 바이폴라 플레이트의 각 면의 유수 유입구로부터 유수 유출구로의 균일한 상향류 흐름을 유도하기 위해 각 요부들에 대응하여 세로 방향의 다수의 상향류 라인이 형성되되, 상기 가스켓은 PTFE, 실리콘, 고무를 포함하는 비전도성 재질 중 1종 이상으로 이루어진 것이 바람직하다. In addition, in the bipolar plate, spaces for installing the cathode shielding plate and the anode shielding plate are provided at the upper and lower corresponding ends of each concave portion on one side and the opposite side, and the cathode shielding plate and the anode shielding plate are respectively provided in the upper and lower spaces Coupled, and the negative electrode shielding plate is attached or fixed to the upper and lower spaces of one side of the bipolar plate to prevent current from flowing from the negative electrode to the bipolar plate, and between the upper and lower ends of the negative electrode and the bipolar plate. It is configured to be spaced apart and made of at least one of plastic-based materials including PVC, PP, and PTFE, and the positive electrode shielding plate is the opposite side of the bipolar plate to prevent current from flowing from the positive electrode to the bipolar plate. It is attached or fixed to the upper and lower spaces of the anode and is configured to separate the upper and lower ends of the positive electrode and the bipolar plate, and is made of at least one of plastic-based materials such as PVC, PP, and PTFE, and the gasket is a negative electrode and a positive electrode. In order to prevent leakage of water flowing along the part and at the same time induce a uniform upward flow from the flowing water inlet to the flowing water outlet on each side of the bipolar plate, a number of vertical upward flow lines are formed in correspondence with each recessed part. , The gasket is preferably made of at least one of non-conductive materials including PTFE, silicone, and rubber.

본 발명에서 음극은 니켈폼 위에 전도성 카본 파우더, 그레뉼 등과 PVDF, PTFE 등을 혼합하여 스프레이 코팅한 후 100~350℃에서 10bar~300bar로 핫 프레싱시킨 전극이 바람직하고, 양극은 백금족 전이금속인 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 안티모니(Sb) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 전이금속 중 1종 이상으로 코팅한 후 열분해시킨 전극이 바람직하다. In the present invention, the negative electrode is preferably an electrode that is spray-coated by mixing conductive carbon powder, granules, PVDF, PTFE, etc. on nickel foam, and then hot-pressed at 100 to 350°C at 10 bar to 300 bar, and the positive electrode is iridium, a platinum group transition metal. 1 among transition metals selected from the group consisting of (Ir), rucenium (Ru), platinum (Pt), tantalum (Ta), titanium (Ti), tin (Sn), antimony (Sb) and manganese (Mn) After coating more than a species, an electrode that is pyrolyzed is preferable.

상술된 특징들로부터 본 발명은 바이폴라 플레이트 구조체를 적용하여 다수의 전기분해 셀을 간편하게 조립할 수 있으며, 아울러 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식이 발생하는 것을 방지할 수 있게 된다. From the above-described features, the present invention can easily assemble a plurality of electrolysis cells by applying a bipolar plate structure, and it is possible to prevent the occurrence of electrical corrosion due to the anode and the cathode.

도 1은 과산화수소 생성을 위한 전기분해장치의 일반적인 모식도,
도 2는 전기분해장치에서의 과산화수소 생성을 위한 본 발명에 따른 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체의 외관 및 분해 사시도,
도 3은 도 2의 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체에서의 일부 확대 사시도,
도 4는 도 2의 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체의 음극부에서의 물의 흐름을 나타낸 도면,
도 5는 도 2의 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체의 양극부에서의 물의 흐름을 나타낸 도면, 및
도 6은 도 2의 수전해용 바이폴라 플레이트 구조체를 다수 개 연결하여 형성한 전기분해장치의 일 예를 나타낸 도면.
1 is a general schematic diagram of an electrolysis device for generating hydrogen peroxide,
2 is an external and exploded perspective view of a bipolar plate structure for water electrolysis according to the present invention for generating hydrogen peroxide in an electrolysis device,
3 is a partially enlarged perspective view of the bipolar plate structure for water electrolysis of FIG. 2,
4 is a view showing the flow of water in the cathode portion of the bipolar plate structure for water electrolysis of FIG. 2;
5 is a view showing the flow of water in the anode portion of the bipolar plate structure for water electrolysis of FIG. 2, and
6 is a view showing an example of an electrolysis device formed by connecting a plurality of bipolar plate structures for water electrolysis of FIG. 2.

이하 첨부된 도면과 실시예들을 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through the accompanying drawings and embodiments.

아래의 실시예에서는 발명을 설명함에 있어서 필연적인 부분들을 제외하고는 그 도시와 설명을 생략하였으며, 명세서 전체를 걸쳐 동일 유사한 요소에 대하여는 동일한 부호를 부여하고 그에 대한 상세한 설명은 반복하지 않고 생략하기로 한다. In the following embodiments, the illustration and description are omitted except for inevitable parts in the description of the invention, and the same reference numerals are assigned to the same and similar elements throughout the specification, and detailed descriptions thereof will be omitted without repetition. do.

도 2는 본 발명에 따른 과산화수소 발생용 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체의 외관 형상(a)과 분해 구성(b)을 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 따른 바이폴라 플레이트 구조체의 음극부 일부를 확대하여 나타낸 도면이다. FIG. 2 is a view showing an external shape (a) and an exploded configuration (b) of the electrolytic bipolar plate structure for generating hydrogen peroxide according to the present invention, and FIG. 3 is an enlarged view of a part of the cathode portion of the bipolar plate structure according to FIG. 2. It is a drawing.

본 발명에 따른 과산화수소 발생용 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체는 바이폴라 플레이트(100)와 음극부(200) 및 양극부(300)로 구성되며, 바이폴라 플레이트(100)를 중심으로 그 한쪽 면에 가스확산 전극(GDE)인 음극(210)을 포함하는 음극부(200)가 결합되고 반대쪽 면에 양극(310)을 포함하는 양극부(300)가 결합된다. The electrolytic bipolar plate structure for generating hydrogen peroxide according to the present invention is composed of a bipolar plate 100, a cathode part 200, and an anode part 300, and a gas diffusion electrode ( The cathode portion 200 including the cathode 210, which is GDE), is coupled, and the anode portion 300 including the anode 310 is coupled to the opposite side.

바이폴라 플레이트(100)는 일면과 그 반대면에 각각 음극(210)과 양극(310)의 설치를 위한 일정한 깊이의 요부(110)(120)를 가지며, 이들 각 요부로부터 외측으로 연장된 상기 바이폴라 플레이트(100)의 양쪽 면의 상하 대응 단부에는 음극부(200) 및 양극부(300)에서의 물의 유동을 위해 각각 유수 유입구(111)(121)와 유수 유출구(112)(122)가 형성되어 있다. The bipolar plate 100 has recesses 110 and 120 having a predetermined depth for installation of the cathode 210 and the anode 310 on one side and the opposite side, respectively, and the bipolar plate extending outward from each of the recesses Flowing water inlets 111 and 121 and flowing water outlets 112 and 122 are formed at the upper and lower corresponding ends of both sides of the 100 for the flow of water in the cathode part 200 and the anode part 300, respectively. .

음극부(200)는 바이폴라 플레이트(100)의 한쪽 면에 설치되는 것으로, 일정한 면적을 갖는 음극(210)과, 이 음극을 상기 바이폴라 플레이트(100)에 대하여 지지하기 위한 GDE 음극 서포트(220), 그리고 음극 차폐 플레이트(230), 및 상기 음극부 전체를 커버하기 위한 가스켓(240)의 결합 구성으로 이루어진다. 본 실시예에서 음극(210)과 GDE 음극 서포트(220)는 용접에 의해 일체로 결합되어 제공되는 것이 바람직하며, GDE 음극 서포트(220)의 둘레면을 따라 천공된 나사공(221)을 통해 바이폴라 플레이트(100)의 한쪽 면의 요부(110)에 스크류(222)로 체결된다. The cathode part 200 is installed on one side of the bipolar plate 100, a cathode 210 having a certain area, a GDE cathode support 220 for supporting the cathode with respect to the bipolar plate 100, In addition, a negative electrode shielding plate 230 and a gasket 240 for covering the entire negative electrode part are combined. In this embodiment, the cathode 210 and the GDE cathode support 220 are preferably provided integrally coupled by welding, and the bipolar through a screw hole 221 drilled along the circumferential surface of the GDE cathode support 220 It is fastened to the recess 110 on one side of the plate 100 with a screw 222.

또한, 양극부(300)는 일정한 면적을 갖는 양극(310)과, 양극 차폐 플레이트(330), 및 양극부 전체를 커버하기 위한 가스켓(340)의 결합 구성으로 이루어지며, 양극(310)은 둘레면을 따라 천공된 나사공(311)을 통해 바이폴라 플레이트(100)의 다른쪽 면의 요부(120)에 스크류(312)로 체결된다. In addition, the anode part 300 is made of a combination of an anode 310 having a certain area, an anode shielding plate 330, and a gasket 340 for covering the entire anode, and the anode 310 is It is fastened with a screw 312 to the concave portion 120 of the other side of the bipolar plate 100 through a screw hole 311 perforated along the surface.

또한, 바이폴라 플레이트(100)의 한쪽 면과 그 반대쪽 면의 각 요부(110)(120)의 상하 대응 단부들에는 음극 차폐 플레이트(230)와 양극 차폐 플레이트(330)를 설치하기 위한 스페이스(113,114)(123,124)가 각각 마련되어 이들 상하 스페이스들에 음극 차폐 플레이트(230)와 양극 차폐 플레이트(330)가 각각 결합된다. 음극부(200) 측의 상기 요부(110)의 일 측단에는 가스확산전극(GDE)인 음극(210)에 대하여 외부로부터의 산소 공급을 위한 산소 투입구(115)가 형성되어 있다. In addition, spaces 113 and 114 for installing the cathode shielding plate 230 and the anode shielding plate 330 at the upper and lower corresponding ends of the recesses 110 and 120 on one side of the bipolar plate 100 and the opposite side thereof. (123, 124) are provided, respectively, and the cathode shielding plate 230 and the anode shielding plate 330 are respectively coupled to the upper and lower spaces. An oxygen inlet 115 for supplying oxygen from the outside to the cathode 210, which is a gas diffusion electrode (GDE), is formed at one end of the concave portion 110 on the cathode portion 200 side.

음극 차폐 플레이트(230)는 음극(210)으로부터 바이폴라 플레이트(100)로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 것으로, 만일 음극(210)인 가스확산전극(GDE)에서 사용될 전류가 과산화수소 발생 반응이 없는 바이폴라 플레이트(100)에 흐르게 될 경우, 음극 전류에 의한 과산화수소 발생 효율이 크게 저하하게 된다. 따라서, 음극 차폐 플레이트(230)는 일반적으로 PVC, PP, PTFE 등 플라스틱 계열 소재를 이용하여 일정한 길이를 갖도록 제작되며, 음극(210)의 상단 및 하단과 바이폴라 플레이트(100) 사이를 이격시키도록 상기 바이폴라 플레이트(100)의 한쪽 면의 상하 스페이스들(113,114)에 부착 또는 고정된다. The cathode shielding plate 230 is to prevent current from flowing from the cathode 210 to the bipolar plate 100, and if the current to be used in the gas diffusion electrode (GDE), which is the cathode 210, is a bipolar plate without hydrogen peroxide generation reaction When flowing through (100), the hydrogen peroxide generation efficiency by the cathode current is greatly reduced. Therefore, the negative electrode shielding plate 230 is generally manufactured to have a certain length using a plastic-based material such as PVC, PP, and PTFE, and the upper and lower ends of the negative electrode 210 and the bipolar plate 100 are spaced apart from each other. It is attached or fixed to the upper and lower spaces 113 and 114 on one side of the bipolar plate 100.

양극 차폐 플레이트(330)는 양극(310)으로부터 바이폴라 플레이트(100)로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위한 것으로, 만일 양극(310)에서 사용될 전류가 바이폴라 플레이트(100)에 흐르게 될 경우 바이폴라 플레이트(100)는 부식이 진행된다. 따라서, 양극 차폐 플레이트(330)는 일반적으로 PVC, PP, PTFE 등 플라스틱 계열 소재를 이용하여 일정한 길이를 갖도록 제작되며, 양극(310)의 상단 및 하단과 바이폴라 플레이트(100) 사이를 이격시키도록 상기 바이폴라 플레이트(100)의 반대쪽 면의 상하 스페이스들(123,124)에 부착 또는 고정된다. The anode shielding plate 330 is to prevent current from flowing from the anode 310 to the bipolar plate 100, and if the current to be used in the anode 310 flows through the bipolar plate 100, the bipolar plate 100 The corrosion proceeds. Therefore, the positive electrode shielding plate 330 is generally manufactured to have a certain length using a plastic-based material such as PVC, PP, and PTFE, and the upper and lower ends of the positive electrode 310 and the bipolar plate 100 are spaced apart from each other. It is attached or fixed to the upper and lower spaces 123 and 124 on the opposite side of the bipolar plate 100.

가스켓(240)(340)은 음극부(200)와 양극부(300)를 각각 커버하는 것으로, 음극부(200)와 양극부(300)를 따라 유동하는 물의 누수를 막을 뿐만 아니라, 바이폴라 플레이트(100)의 각 면의 유수 유입구(111)(121)로부터 유수 유출구(112)(122)로의 상향류 흐름을 유도하기 위해 각 요부(110)(120)들에 대응하여 세로 방향의 다수의 유로 또는 라인들(241)(341)(이하 '상향류 라인' 이라 함)이 형성된 구조를 가지며, 이러한 다수의 상향류 라인(241)(341)은 음극(210)과 양극(310)의 각 전극 부분에서 유수의 균일한 흐름을 유도하게 된다. 가스켓(240)(340)은 일반적으로 PTFE, 실리콘, 고무 등 비전도성 재질로 구성되며, 음극 차폐 플레이트(230) 또는 양극 차폐 플레이트(330) 이외의 부분에 대한 전류 흐름을 차단한다. The gaskets 240 and 340 cover the cathode part 200 and the anode part 300, respectively, and prevent leakage of water flowing along the cathode part 200 and the anode part 300, as well as a bipolar plate ( In order to induce an upward flow from the running water inlet 111, 121 on each side of the 100) to the running water outlet 112, 122, a plurality of flow paths in the vertical direction corresponding to the respective recesses 110, 120, or It has a structure in which lines 241 and 341 (hereinafter referred to as'upstream lines') are formed, and such a plurality of upstream lines 241 and 341 are each electrode portion of the cathode 210 and the anode 310 Induces a uniform flow of running water in The gaskets 240 and 340 are generally made of a non-conductive material such as PTFE, silicone, rubber, etc., and block current flow to portions other than the cathode shielding plate 230 or the anode shielding plate 330.

한편, 음극(310)인 가스확산전극(GDE)은 과산화수소를 발생시키는 것으로, 얇게 가공된 니켈 플레이트 위에 가스확산 레이어인 및 니켈폼 위에 촉매층을 형성한 구조를 갖는다. 양극은 백금족 전이금속인 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 안티모니(Sb) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 전이금속 중 1종 이상으로 코팅한 후 열분해시킨 전극으로서, 차아염소산이온이 생성되며 산소 발생에도 효과적이다. Meanwhile, the gas diffusion electrode GDE, which is the cathode 310, generates hydrogen peroxide, and has a structure in which a gas diffusion layer is formed on a thinly processed nickel plate and a catalyst layer is formed on the nickel foam. The anode is made of platinum group transition metals iridium (Ir), rucenium (Ru), platinum (Pt), tantalum (Ta), titanium (Ti), tin (Sn), antimony (Sb), and manganese (Mn). As an electrode coated with at least one of the transition metals selected from the group and then pyrolyzed, hypochlorite ions are generated and are effective in generating oxygen.

Figure pat00001
Figure pat00001

위의 식에서 보는 바와 같이, 양극반응은 산소발생 반응이고 음극반응은 외부에서 공급되는 산소에 의한 과산화수소 발생반응과 물 분해 반응에 의한 수소발생 반응으로서, 여기서 수소발생 반응은 부반응으로 볼 수 있다. As shown in the above equation, the anodic reaction is an oxygen generation reaction, and the cathodic reaction is a hydrogen peroxide generation reaction by externally supplied oxygen and a hydrogen generation reaction by water decomposition reaction, where the hydrogen generation reaction can be viewed as a side reaction.

음극에서는 산소 1mol과 2mol의 수소이온을 이용하여 과산화수소가 생성된다. 음극은 니켈폼 위에 전도성 카본(carbon) 파우더, 그레뉼 등과 PVDF, PTFE 등을 혼합하여 스프레이 코팅한 후 핫 프레싱시킨 전극이 적합하다. 여기서, 전도성 카본은 카본(carbon) 성분을 함유한 목질계 또는 석탄계가 모두 해당된다. 이때 파우더 또는 그레뉼 상으로 적용이 가능하며, 보다 적합하게는 10 마이크로미터(㎛) 이하 크기가 바람직하다. 니켈폼 위의 코팅은 브러쉬, 담지 등의 방법이 있으며, 보다 바람직하게는 스프레이 코팅이 이용될 수 있다. 상기 핫 프레싱 조건은 100~350℃ 이내에서 10bar~300bar로 압축하는 것이 적합하다. In the cathode, hydrogen peroxide is produced by using 1 mol of oxygen and 2 mol of hydrogen ions. The negative electrode is suitable for an electrode made by spray coating by mixing conductive carbon powder, granules, PVDF, PTFE, etc. on nickel foam and then hot pressing. Here, the conductive carbon includes all wood-based or coal-based carbon components. At this time, it can be applied in the form of powder or granules, and more preferably, a size of 10 micrometers (㎛) or less is preferable. The coating on the nickel foam may be performed by brush, support, or the like, and more preferably, spray coating may be used. The hot pressing condition is suitable to compress to 10bar to 300bar within 100 to 350°C.

도 4는 도 2에 따른 바이폴라 플레이트 구조체의 음극부에서의 물의 흐름을 나타낸 것으로, 도 4(a)는 음극부(200)인 바이폴라 플레이트의 한쪽 면에 음극(210)과 음극 차폐 플레이트(230)가 설치된 상태에서 유수 유입구(111)와 유수 유출구(112)를 통한 물의 유출입 경로를 화살표로 보여준다. 도 4(b)는 도 4(a)에서의 음극부(200)의 외부에 가스켓(240)이 결합된 상태를 나타낸 것으로, 유수 유입구(111)를 통해 유입된 물이 가스켓(240) 표면의 상향류 라인(241)을 따라 상승하여 유수 유출구(112) 측으로 유동하는 상태를 화살표로 보여주고 있다. 이때, 유수의 흐름은 음극(210)의 표면을 따라 균일한 흐름으로 유동하며, 도 3에 도시된 산소 투입구(115)를 통해 음극부(200) 측에 과산화수소 발생에 필요한 산소의 공급 및 흐름이 이루어지면 산소는 GDE 음극 서포트(220)를 통과한 후 전원 인가에 의해 음극(210)인 가스확산전극(GDE)에서 전기분해 반응을 통해 과산화수소를 생성하게 된다. 4 is a view showing the flow of water in the cathode portion of the bipolar plate structure according to FIG. 2, and FIG. 4(a) is a cathode 210 and a cathode shielding plate 230 on one side of the bipolar plate, which is the cathode portion 200. In the state where is installed, the flow path of water through the running water inlet 111 and the running water outlet 112 is shown by arrows. 4(b) shows a state in which the gasket 240 is coupled to the outside of the cathode part 200 in FIG. 4(a), and the water introduced through the flowing water inlet 111 is on the surface of the gasket 240 An arrow shows a state that rises along the upstream line 241 and flows toward the flowing water outlet 112. At this time, the flow of running water flows in a uniform flow along the surface of the cathode 210, and the supply and flow of oxygen required for hydrogen peroxide generation to the cathode part 200 through the oxygen inlet 115 shown in FIG. When this occurs, oxygen passes through the GDE cathode support 220 and then generates hydrogen peroxide through an electrolysis reaction in the gas diffusion electrode GDE, which is the cathode 210 by applying power.

도 5는 도 2에 따른 바이폴라 플레이트 구조체의 양극부에서의 물의 흐름을 나타낸 것으로, 도 5(a)는 양극부(300)인 바이폴라 플레이트의 반대쪽 면에 양극(310)과 양극 차폐 플레이트(330)가 설치된 상태에서 유수 유입구(121)와 유수 유출구(122)를 통한 물의 유출입 경로를 화살표로 보여준다. 도 5(b)는 도 5(a)에서의 양극부(300)의 외부에 가스켓(340)이 결합된 상태를 나타낸 것으로, 유수 유입구(121)를 통해 유입된 물이 가스켓(340) 표면의 상향류 라인(341)을 따라 상승하여 유수 유출구(122) 측으로 유동하는 상태를 화살표로 보여주고 있다. 이때, 유수의 흐름은 양극(310)의 표면을 따라 균일한 흐름으로 유동하면서 전원 인가로 인한 전기분해 반응을 통해 산소를 생성하게 된다. 5 shows the flow of water in the anode portion of the bipolar plate structure according to FIG. 2, and FIG. 5(a) is an anode 310 and an anode shielding plate 330 on opposite sides of the bipolar plate, which is the anode portion 300. In the state where is installed, an arrow shows the inflow and outflow paths of water through the running water inlet 121 and the running water outlet 122. 5(b) shows a state in which the gasket 340 is coupled to the outside of the anode part 300 in FIG. 5(a), and the water introduced through the flowing water inlet 121 is on the surface of the gasket 340. An arrow shows a state that rises along the upstream line 341 and flows toward the flowing water outlet 122. At this time, the flowing water flows in a uniform flow along the surface of the anode 310 and oxygen is generated through an electrolysis reaction due to the application of power.

도 6은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트 구조체를 이용하여 형성한 전기분해장치의 일 예를 도시한 것으로, 이러한 전기분해장치는 복수 개의 바이폴라 플레이트 구조체(1)를 일렬로 배열한 상태로 양측에 전류인가 부분인 양극 스택 단부 플레이트(2)와 음극 스택 단부 플레이트(3)를 각각 배치하고, 또한 그 외측에는 양극과 음극을 절연시키기 위한 절연 단부 플레이트(4)(5)를 각각 배치한 상태에서 체결너트(6)와 체결볼트(7)를 이용하여 결합되는 구성임을 볼 수 있다. 6 shows an example of an electrolysis device formed using a bipolar plate structure according to the present invention, in which current is applied to both sides in a state in which a plurality of bipolar plate structures 1 are arranged in a row. A fastening nut in a state where the anode stack end plate (2) and the cathode stack end plate (3), which are parts, are disposed, and insulated end plates (4) and (5) for insulating the anode and the cathode are disposed on the outside. It can be seen that the configuration is coupled using (6) and the fastening bolt (7).

여기서, 바이폴라 플레이트 구조체(1)들 사이에는 상기에서 식으로 과산화수소의 양극 산화반응을 방지할 위한 목적으로 양이온 교환막(미도시)을 이용하여 양극수와 음극수의 흐름을 분리하게 된다. 또한, 양이온 교환막 대신 단순 분리를 목적으로 한 다이어프램 막도 사용가능하다. Here, between the bipolar plate structures 1, the flow of anode water and cathode water is separated by using a cation exchange membrane (not shown) for the purpose of preventing the anodic oxidation reaction of hydrogen peroxide as described above. In addition, instead of a cation exchange membrane, a diaphragm membrane for the purpose of simple separation may also be used.

이상 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명하였으나, 지금까지 설명한 내용들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 그 일부를 예시한 정도에 불과하며, 아래에 첨부된 청구범위에 나타날 수 있는 것을 제외하고는 상술한 내용에 의해 제한되지 않는다. 따라서, 본 발명은 이와 동일한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 범위 내에서 발명의 기술적 사상과 요지를 벗어나지 않으면서 균등물의 많은 변화, 수정 및 대체가 이루어질 수 있음을 이해하여야 할 것이다. Various embodiments of the present invention have been described above, but the contents described so far are only to the extent that some of the preferred embodiments of the present invention are illustrated, except for those that may appear in the appended claims below. It is not limited by the above contents. Accordingly, the present invention understands that many changes, modifications and substitutions of equivalents can be made without departing from the spirit and gist of the invention within the scope of the following claims, provided those of ordinary skill in the same technical field. You will have to do it.

1 : 바이폴라 플레이트 구조체
2 : 양극 스택 단부 플레이트
3 : 음극 스택 단부 플레이트
4,5 : 절연 단부 플레이트
6 : 체결너트
7 : 체결볼트
100 : 바이폴라 플레이트
110,120 : 요부
111,121 : 유수 유입구
112,122 : 유수 유출구
113,114,123,124 : 스페이스
200 : 음극부
210 : 음극
220 : GDE 음극 서포트
221 : 나사공
222 : 스크류
230 : 음극 차폐 플레이트
240 : 가스켓
241 : 상향류 라인
300 : 양극부
310 : 양극
311 : 나사공
312 : 스크류
330 : 양극 차폐 플레이트
340 : 가스켓
341 : 상향류 라인
1: bipolar plate structure
2: anode stack end plate
3: cathode stack end plate
4,5: insulated end plate
6: tightening nut
7: Fastening bolt
100: bipolar plate
110,120: required part
111,121: running water inlet
112,122: running water outlet
113,114,123,124: space
200: cathode part
210: cathode
220: GDE cathode support
221: screw hole
222: screw
230: cathode shielding plate
240: gasket
241: upstream line
300: anode part
310: anode
311: screw hole
312: screw
330: anode shielding plate
340: gasket
341: upstream line

Claims (10)

바이폴라 플레이트를 중앙으로 상기 바이폴라 플레이트의 한쪽 면에 가스확산 전극(GDE)인 음극을 포함하는 음극부와 반대쪽 면에 양극을 포함하는 양극부가 각각 결합되고, 상기 바이폴라 플레이트와 음극부 및 양극부 사이에 상기 양극과 음극으로 인한 전기적인 부식을 방지하기 위한 전기적 차폐 수단을 포함하는 과산화수소 발생용 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.With the bipolar plate as the center, a cathode portion including a cathode that is a gas diffusion electrode (GDE) on one side of the bipolar plate and an anode portion including an anode on the opposite side are respectively coupled, and between the bipolar plate and the cathode portion and the anode portion. An electrolytic bipolar plate structure for generating hydrogen peroxide comprising an electrical shielding means for preventing electrical corrosion due to the anode and the cathode. 제 1항에 있어서,
상기 바이폴라 플레이트는 한쪽 면과 반대쪽 면에 각각 음극과 양극의 설치를 위한 일정한 깊이의 요부를 가지며, 상기 요부로부터 외측으로 연장된 상기 바이폴라 플레이트의 양쪽 면의 상하 대응 단부에는 상기 음극부 및 양극부에서의 물의 유동을 위해 유수 유입구와 유수 유출구가 각각 형성되어 있고, 상기 음극부는 음극과 음극 차폐 플레이트, 및 상기 음극부 전체를 커버하기 위한 가스켓의 결합 구성으로 이루어지며, 상기 양극부는 양극과 양극 차폐 플레이트, 및 상기 양극부 전체를 커버하기 위한 가스켓의 결합 구성으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
The method of claim 1,
The bipolar plate has a concave portion of a predetermined depth for installation of a cathode and an anode on one side and the opposite side, respectively, and at the upper and lower corresponding ends of both sides of the bipolar plate extending outward from the concave portion, the cathode portion and the anode portion A flowing water inlet and a flowing water outlet are respectively formed for the flow of water in the cathode, the cathode part is made of a combination of a cathode and a cathode shielding plate, and a gasket for covering the entire cathode, and the anode part is an anode and an anode shielding plate. And a gasket for covering the entire anode portion.
제 1항에 있어서,
상기 음극부는 상기 음극을 상기 바이폴라 플레이트에 대하여 지지하기 위한 GDE 음극 서포트를 더 포함하되, 상기 GDE 음극 서포트는 용접에 의해 상기 음극과 일체로 결합되는 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
The method of claim 1,
The cathode portion further comprises a GDE cathode support for supporting the cathode with respect to the bipolar plate, wherein the GDE cathode support is integrally coupled with the cathode by welding.
제2항에 있어서,
상기 바이폴라 플레이트는 한쪽 면과 반대쪽 면의 각 요부의 상하 대응 단부들에 각각 음극 차폐 플레이트와 양극 차폐 플레이트를 설치하기 위한 스페이스가 마련되어 이들 상하 스페이스들에 상기 음극 차폐 플레이트와 상기 양극 차폐 플레이트가 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
The method of claim 2,
The bipolar plate has spaces for installing the negative electrode shielding plate and the positive electrode shielding plate at upper and lower corresponding ends of each concave portion on one side and the other side, respectively, and the negative electrode shielding plate and the positive electrode shielding plate are combined in the upper and lower spaces. Electrolytic bipolar plate structure, characterized in that the.
제 2항에 있어서,
상기 음극부는 상기 음극부 측의 요부의 일 측단에 상기 가스확산전극(GDE)인 음극에 대하여 외부로부터의 산소 공급을 위한 산소 투입구가 형성된 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
The method of claim 2,
An electrolysis bipolar plate structure, characterized in that the cathode portion has an oxygen inlet for supplying oxygen from the outside to the cathode, which is the gas diffusion electrode (GDE), at one end of the concave portion of the cathode portion.
제 2항에 있어서,
상기 음극 차폐 플레이트는 상기 음극으로부터 상기 바이폴라 플레이트로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 상기 바이폴라 플레이트의 한쪽 면의 상하 스페이스들에 각각 부착 또는 고정되어 상기 음극의 상단 및 하단과 상기 바이폴라 플레이트 사이를 이격시키도록 구성되며, PVC, PP, PTFE를 포함하는 플라스틱 계열 소재 중 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
The method of claim 2,
The negative electrode shielding plate is attached or fixed to the upper and lower spaces of one side of the bipolar plate to prevent current from flowing from the negative electrode to the bipolar plate, so that the upper and lower ends of the negative electrode and the bipolar plate are spaced apart from each other. Consisting of, the electrolytic bipolar plate structure, characterized in that made of at least one of plastic-based materials including PVC, PP, and PTFE.
제 2항에 있어서,
상기 양극 차폐 플레이트는 상기 양극으로부터 상기 바이폴라 플레이트로 전류가 흐르는 것을 방지하기 위해 상기 바이폴라 플레이트의 반대쪽 면의 상하 스페이스들에 부착 또는 고정되어 상기 양극의 상단 및 하단과 상기 바이폴라 플레이트 사이를 이격시키도록 구성되며, PVC, PP, PTFE 등 플라스틱 계열 소재 중 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
The method of claim 2,
The positive electrode shielding plate is attached or fixed to upper and lower spaces on the opposite side of the bipolar plate to prevent current from flowing from the positive electrode to the bipolar plate, so as to separate the upper and lower ends of the positive electrode and the bipolar plate. And, the electrolytic bipolar plate structure, characterized in that made of at least one of plastic-based materials such as PVC, PP, PTFE.
제 2항에 있어서,
상기 가스켓은, 상기 바이폴라 플레이트의 각 면의 유수 유입구로부터 유수 유출구로의 유수의 균일한 흐름을 유도하기 위해 각 요부들에 대응하여 세로 방향의 다수의 상향류 라인이 형성되며, PTFE, 실리콘 및 고무를 포함하는 비전도성 재질 중 1종 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
The method of claim 2,
In the gasket, a plurality of vertical upward flow lines are formed in correspondence to respective recesses in order to induce a uniform flow of running water from the running water inlet on each side of the bipolar plate to the running water outlet, and PTFE, silicone, and rubber Electrolytic bipolar plate structure, characterized in that made of at least one of the non-conductive material comprising a.
제 1항에 있어서,
상기 음극은 니켈폼 위에 전도성 카본 파우더, 그레뉼 등과 PVDF, PTFE 등을 혼합하여 스프레이 코팅한 후 100~350℃에서 10bar~300bar로 핫 프레싱시킨 전극인 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
The method of claim 1,
The negative electrode is an electrolytic bipolar plate structure, characterized in that after spray-coating a mixture of conductive carbon powder, granules, PVDF, PTFE, etc. on nickel foam, and hot pressing at 10 bar to 300 bar at 100 to 350°C.
제 1항에 있어서,
상기 양극은 백금족 전이금속인 이리듐(Ir), 루세늄(Ru), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 티타늄(Ti), 주석(Sn), 안티모니(Sb) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 전이금속 중 1종 이상으로 코팅한 후 열분해시킨 전극인 것을 특징으로 하는 전기분해 바이폴라 플레이트 구조체.
The method of claim 1,
The anode is made of platinum group transition metals such as iridium (Ir), rucenium (Ru), platinum (Pt), tantalum (Ta), titanium (Ti), tin (Sn), antimony (Sb), and manganese (Mn). Electrolytic bipolar plate structure, characterized in that the electrode is pyrolyzed after coating with at least one of the transition metals selected from the group consisting of.
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