KR20220017587A - 반응물 유체를 재순환할 수 있는 전기화학장치 - Google Patents

반응물 유체를 재순환할 수 있는 전기화학장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유체 공급 라인을 통해 음극부 및 상기 양극부 중 어느 하나의 전극부에 반응물을 공급하고, 공급된 반응물은 분리막을 통과하여 반대 전극부의 반응공간으로 확산되어 반대 전극부에서의 반응물로 사용되는 전기화학장치에 관한 것으로, 하나의 전극부에만 반응물을 공급할 수 있고, 공급한 반응물을 다시 순환시켜 재사용 가능한 전기화학장치를 제공할 수 있다.

Description

반응물 유체를 재순환할 수 있는 전기화학장치{Electrochemical devices that can recycle reactants fluids}
본 발명은 반응물 유체를 재순환할 수 있는 전기화학장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로 반응물을 전기분해하여 유용한 물질을 제조하는 전기화학장치에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.
전기 분해(electrolysis)는 외부에서 전기 에너지를 가하여 전기 화학적인 산화 환원 반응을 통해 물질을 분해하는 과정이다. 산화 반응이 일어나는 전극을 산화 전극(anode)이라고 하고, 환원 반응이 일어나는 전극을 환원 전극(cathode)이라고 한다.
전기 분해의 대표적인 반응은 물(H2O)의 전기 분해이며, 일반적인 전해조(electrolyzer) 구성은 도 1에 나타낸 것과 같다. 이와 같은 전해조에서, 양극(Anode) 및 음극(Cathode)은 분리막(Membrane)의 양쪽에 고정되고 물에 의해 접촉된다. 전원 공급장치를 통해 양극 및 음극 사이에 전위차가 가해지면 양극에서 물의 산화에 의해 산소가 생성된다. 양극에서의 산화에 의해 발생한 H+ 이온은 분리막(양성자-교환막)을 통과하여 음극으로 이동하고, 전자는 전원 공급 장치에 의해 음극으로 되돌려 보내진다. 음극에서는 H+ 이온이 환원되어 수소를 생성한다.
또 다른 전기 분해의 예로서 염화나트륨(NaCl) 수용액의 전기 분해가 있다. 염화 소듐 수용액의 전기 분해는 양극에서 염소 이온이 산화되어 염소 기체가 발생(2Cl-(aq) → Cl2(g) + 2e-)하고, 음극에서 물이 환원되어 수소 기체가 발생(2H2O(l) + 2e- → H2(g) + 2OH-)한다.
상기와 같은 일반적인 구조의 전해조는 음극이 수용되는 환원 반응공간 및 양극이 수용되는 산화 반응공간 모두에 반응물 및 전해질 유체를 공급하여야 하고, 재사용이 어려운 문제점이 있었다.
1. 한국공개특허 제10-2014-0032345호 (2014.03.14) 2. 한국공개특허 제10-2005-0044700호 (2005.05.12)
본 발명은 음극부 및 양극부 중 어느 하나의 전극부에 반응물 및 전해질 유체를 공급하고, 반응물 및 전해질 재순환이 가능한 전기화학장치를 제공하고자 한다.
그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 음극 및 상기 음극에서의 반응이 일어나는 환원 반응공간을 포함하는 음극부; 양극 및 상기 양극에서의 반응이 일어나는 산화 반응공간을 포함하는 양극부; 및 상기 음극부와 상기 양극부 사이에 구비되는 분리막; 및 상기 음극부 또는 상기 양극부 중 어느 하나에 연결되는 유체 공급 라인;을 포함하여, 상기 유체 공급 라인을 통해 상기 음극부 및 상기 양극부 중 어느 하나의 전극부에 반응물이 공급되는 것을 특징으로 하는 전기화학장치를 제공한다.
또한, 상기 음극부 또는 양극부에 공급된 반응물은 상기 분리막을 통과하여 반대 전극부의 반응공간으로 확산되어 반대 전극부에서의 반응물로 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전기화학장치는 상기 유체 공급 라인이 연결되는 전극부의 반대 전극부에 연결되는 유체 배출 라인을 더 포함하여, 상기 반대 전극부에서의 반응에 사용되고 남은 반응물을 배출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 배출 라인은 상기 유체 공급 라인에 연결되어, 상기 유체 배출 라인을 통해 배출되는 반응물을 상기 유체 공급 라인으로 다시 공급하여 음극부 또는 양극부의 반응물로 재사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 공급 라인은 상기 음극부에 연결되어, 상기 유체 공급 라인을 통해 상기 음극부에 반응물이 공급되며, 상기 반응물은 물 및 전해질을 포함하여, 상기 양극부에서는 상기 분리막을 통하여 확산된 물을 반응물로 이용하여 산소(O2) 및 수소 이온(H+)을 얻고, 상기 음극부에서는 상기 분리막을 통하여 확산된 수소 이온(H+)을 반응물로 이용하여 수소(H2)를 얻는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유체 공급 라인은 상기 양극부에 연결되어, 상기 유체 공급 라인을 통해 상기 양극부에 반응물이 공급되며, 상기 반응물은 염화나트륨 수용액 및 전해질을 포함하여, 상기 음극부에서는 상기 분리막을 통하여 확산된 물을 반응물로 이용하여 수소(H2)를 얻고, 상기 음극부에서는 공급된 반응물을 이용하여 염소(Cl2)를 얻는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기화학장치는 음극부 및 양극부 중 어느 하나의 전극부에 반응물 및 전해질 유체를 공급하며, 분리막을 통한 반응물 및 전해질 이온의 확산을 통해 반대 전극부에서는 확산된 반응물 및 전해질을 이용하여 생성물을 얻을 수 있고, 반응에 참여하지 않은 반응물을 다시 반대 전극부의 반응물 및 전해질 유체로 순환시켜 재사용할 수 있다.
도 1에 종래의 수전해조의 구성을 나타내었다.
도 2에 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학장치의 구성을 나타내었다.
도 3에 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학장치의 구체적인 작동을 나타내었다.
도 4에 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학장치의 구성을 나타내었다.
도 5에 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학장치의 구체적인 작동을 나타내었다.
도 6에 실험예1에 따른 전기화학장치에 대한 테스트 결과를 나타내었다.
도 7a에 실험예2에 따른 전기화학장치에 대한 테스트 결과를 나타내었다.
도 7b에 도 7a의 전류값 0~100 mA/cm2 구간을 확대 도시하여 나타내었다.
본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한, 본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.
이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다.
한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학장치는 음극(11) 및 음극에서의 반응이 일어나는 환원 반응공간(12)을 포함하는 음극부(10), 양극(21) 및 양극에서의 반응이 일어나는 산화 반응공간(22)을 포함하는 양극부(20) 및 상기 음극(11)과 양극(21) 사이에 구비되는 분리막(30)을 포함한다. 이때 본 발명에 따른 전기화학장치는 상기 음극부(10) 및 양극부(20) 중 어느 하나의 전극부에만 반응물이 공급되는 것을 일 특징으로 한다. 여기서 반응물은 반응에 직접 참여하거나 참여하지 않지만 함께 공급된 물질을 모두 포함하는 의미이며, 전해질을 포함할 수 있다.
상기 음극부(10) 또는 양극부(20)에 공급된 반응물은 상기 분리막(30)을 통과하여 반대 전극부의 반응공간으로 확산되어 반대 전극부에서의 반응물로 사용된다. 즉, 도 2와 같이 음극부(10)에 반응물을 공급하는 경우 양극부(20)에서는 분리막(30)을 통해 확산된 반응물을 이용하여 반응이 일어나며, 양극부(20)에 반응물을 공급하는 경우 음극부(10)에서는 분리막(30)을 통해 확산된 반응물을 이용하여 반응이 일어난다.
또한, 상기 전기화학장치는 상기 음극부(10) 또는 양극부(20)의 반응공간(12, 22)에 유체 공급 라인(41)을 연결하여 음극부(10) 또는 양극부(20)에 반응물을 공급하고, 반대 전극부의 반응공간에 유체 배출 라인(42)을 연결하여 반대 전극부에서의 반응에 사용되고 남은 반응물을 배출한다.
또한, 상기 전기화학장치는 상기 유체 배출 라인(42)을 통해 배출되는 반응물을 상기 유체 공급 라인(41)으로 다시 공급하여 음극부(10) 또는 양극부(20)의 반응물로 재사용될 수 있도록 한다.
상기 분리막(30)을 통해 이루어지는 반응물의 확산은 양쪽 반응공간의 압력 차이를 이용할 수 있고, 상기 유체 배출 라인(42)에 의해 유체가 배출됨에 따라 양쪽 반응공간의 압력 차이를 증가시킴으로써 반응물의 확산을 더욱 촉진시킬 수 있다.
또한, 상기 전기화학장치는 상기 음극부(10) 및 양극부(20) 각각에서 배출되는 생성물이 배출되는 생성물 배출 라인(미도시)을 각각 포함할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학장치가 음극부(10)에 반응물을 공급하는 경우의 일 예시로서 물의 전기 분해를 통한 수소 및 산소 생성 반응을 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2에 나타낸 것과 같이 제1 실시예에 따른 전기화학장치는 음극부(10)의 환원 반응공간(12)에 물 및 전해질 유체가 공급되는 유체 공급 라인(41)을 구비하고, 양극부(20)의 산화 반응 공간(22)에는 반응에 사용되고 남은 반응물이 배출되는 유체 배출 라인(42)을 구비한다.
제1 실시예에 따른 전기화학장치의 구체적인 작동을 설명하면 다음과 같다.
도 3에 나타낸 것과 같이 음극부에 물 및 전해질을 공급하면 분리막을 통하여 양극부에 물(H2O)이 확산되어 공급되며, 양극부에서는 확산된 물을 반응물로 이용하여 산소(O2) 및 수소 이온(H+)을 얻는다. 양극부에서 사용되지 않은 물은 순환시켜 다시 음극부의 전해질로서 재사용 할 수 있다. 또한, 생성된 수소 이온(H+)은 분리막을 통하여 음극부로 확산되고 음극부에서 반응물로 이용되어 수소(H2)를 생성할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학장치가 양극부(20)에 반응물 및 전해질을 공급하는 경우의 일 예시로서 염화나트륨 수용액의 전기 분해를 통한 염소 및 수소 생성 반응을 통해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4에 나타낸 것과 같이 제2 실시예에 따른 전기화학장치는 양극부(20)의 산화 반응공간(22)에 염화나트륨 수용액 및 전해질 유체가 공급되는 유체 공급 라인(41)을 구비하고, 음극부(10)의 환원 반응공간(12)에는 반응에 사용되고 남은 반응물이 배출되는 유체 배출 라인(42)을 구비한다.
제2 실시예에 따른 전기화학장치의 구체적인 작동을 설명하면 다음과 같다.
도 5에 나타낸 것과 같이 양극부에 염화나트륨 수용액 및 전해질을 공급하면 분리막을 통하여 음극부에 물(H2O)이 확산되어 공급되며, 음극부에서는 확산된 물을 반응물로 이용하여 수소(H2) 및 수산화이온(OH-)을 얻는다. 음극부에서 사용되지 않은 물은 순환시켜 다시 양극부의 반응물 또는 전해질로서 재사용 할 수 있다. 양극부에서는 공급된 염화나트륨 수용액의 염소 이온을 반응물로 이용하여 산화 반응을 통해 염소(Cl2)를 생성한다.
이하에서는 실시예 및 비교예를 통해 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다. 하지만 본 발명이 실시예 및 비교예에 한정되는 것은 아니다.
실험예1
도 2에 나타낸 것과 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학장치를 제조하였다. 구체적으로 전극 촉매로 탄소에 담지된 니켈-철을 사용하였고, 이를 약 10cm2의 면적을 갖는 기체확산층 상에 적용하여 양극 및 음극을 형성하였다.
음극부에 물과 전해질인 1M KOH를 공급하고, 양극부의 남은 반응물을 회수하여 다시 음극부에 공급하는 순환 시스템을 작동시켰다.
위 전기화학장치에 1~2.2V 수준에 해당되는 부하를 인가하며 20mV/s의 스캔 속도로 테스트를 수행하였다. 그 결과는 도 6과 같다.
도 6을 참조하면, 상기 전기화학장치는 14th 사이클에서 최대 성능을 보이고 이후에는 성능이 유지됨을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명에 따른 전기화학장치는 안정적으로 장시간 동안 작동할 수 있음을 확인하였다.
실험예2
위 실험예1의 전기화학장치에 대해 15th 사이클까지 테스트를 진행한 뒤, 하기 조건으로 추가적인 테스트를 진행하였다.
1) 흐름-흐름(flow-flow)
2) 무흐름-무흐름(noflow-noflow)
3) 무흐름-질소퍼징(noflow-N2 purging)
4) 질소퍼징-무흐름(N2 purging-noflow)
위 조건 중 좌변은 음극부에서의 흐름 여부를 의미하고, 우변은 양극부에서의 흐름 여부를 의미한다. 질소퍼징은 반응물 또는 생성물의 흐름 대신에 질소를 공급하는 조건을 의미한다.
위 테스트의 결과는 도 7a 및 도 7b와 같다. 도 7b는 도 7a의 일부를 확대 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 각 조건 간의 성능 차이는 크지 않음을 알 수 있다. 다만, 다만 질소퍼징이 있는 조건3), 4)의 경우 약 1.3V 영역에서 작은 피크가 발견된다. 이는 환원에 의해 발생하는 피크라 예상된다.
이를 통해 본 발명에 따른 전기화학장치는 어떠한 조건에서 작동시켜도 제 기능을 발휘할 수 있음을 확인하였다.
전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 음극부
11: 음극 12: 환원 반응공간
20: 양극부
21: 양극 22: 산화 반응공간
30: 분리막
40: 라인
41: 유체 공급 라인 42: 유체 배출 라인

Claims (6)

  1. 음극 및 상기 음극에서의 반응이 일어나는 환원 반응공간을 포함하는 음극부;
    양극 및 상기 양극에서의 반응이 일어나는 산화 반응공간을 포함하는 양극부;
    상기 음극부와 상기 양극부 사이에 구비되는 분리막; 및
    상기 음극부 또는 상기 양극부에 연결되는 유체 공급 라인;을 포함하여,
    상기 유체 공급 라인을 통해 상기 음극부 또는 상기 양극부에 반응물이 공급되는 것을 특징으로 하는 전기화학장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 음극부 또는 양극부에 공급된 반응물은 상기 분리막을 통과하여 반대 전극부의 반응공간으로 확산되어 반대 전극부에서의 반응물로 사용되는 것을 특징으로 하는 전기화학장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전기화학장치는 상기 유체 공급 라인이 연결되는 전극부의 반대 전극부에 연결되는 유체 배출 라인을 더 포함하여,
    상기 반대 전극부에서의 반응에 사용되고 남은 반응물을 배출하는 것을 특징으로 하는 전기화학장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유체 배출 라인은 상기 유체 공급 라인에 연결되어,
    상기 유체 배출 라인을 통해 배출되는 반응물을 상기 유체 공급 라인으로 다시 공급하여 음극부 또는 양극부의 반응물로 재사용하는 것을 특징으로 하는 전기화학장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유체 공급 라인은 상기 음극부에 연결되어, 상기 유체 공급 라인을 통해 상기 음극부에 반응물이 공급되며,
    상기 반응물은 물 및 전해질을 포함하여,
    상기 양극부에서는 상기 분리막을 통하여 확산된 물을 반응물로 이용하여 산소(O2) 및 수소 이온(H+)을 얻고,
    상기 음극부에서는 상기 분리막을 통하여 확산된 수소 이온(H+)을 반응물로 이용하여 수소(H2)를 얻는 것을 특징으로 하는 전기화학장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유체 공급 라인은 상기 양극부에 연결되어, 상기 유체 공급 라인을 통해 상기 양극부에 반응물이 공급되며,
    상기 반응물은 염화나트륨 수용액 및 전해질을 포함하여,
    상기 음극부에서는 상기 분리막을 통하여 확산된 물을 반응물로 이용하여 수소(H2)를 얻고,
    상기 음극부에서는 공급된 반응물을 이용하여 염소(Cl2)를 얻는 것을 특징으로 하는 전기화학장치.
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