KR20240032557A - 금속 분립체 유체 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 장치 - Google Patents

금속 분립체 유체 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 장치 Download PDF

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KR20240032557A
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Abstract

본 발명은 금속 분립체 유체 전극을 포함하는 수전해 장치를 개시한다. 본 발명은 음극(Cathode); 상기 음극 상에 형성되는 형성되는 제1 유동 채널; 상기 제1 유동 채널 상에 형성되는 양이온교환막(CEM, Cation Exchange Membrane); 상기 양이온교환막 상에 형성되는 제2 유동 채널; 및 상기 제2 유동 채널 상에 형성되는 양극(Anode); 을 포함하고, 상기 제2 유동 채널은 금속 분립체를 포함하여 금속 분립체 유체 전극(Metal Particle Fluidic Electrode)으로 사용되는 것을 특징으로 한다.

Description

금속 분립체 유체 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 장치{ALKALINE WATER ELECTROLYSIS DEVICE INCLUDING METAL PARTICLE FLUIDIC ELECTRODE}
본 발명은 금속 분립체 유체 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 양극에서 금속 분립체를 함유하는 유동층의 금속을 금속 이온으로 산화반응을 유도하고 음극에서 물 분해 반응을 일으켜 수소기체를 제조 할 수 있는 금속산화반응을 이용한 초저전력의 금속 분립체 유체 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 장치에 관한 것이다.
고체고분자 수전해의 양극에서 발생하는 산소발생(OER)반응은 전자 4개가 반응에 관여하여 전압 인가 시 높은 과전압(Overpotential)이 걸리게 된다. 과전압과 고체고분자 전해질의 강한 산성 때문에 사용하는 고가의 촉매(이리듐/백금)는 설치 비용이 비싸고 내구도가 약해진다는 단점을 야기한다.
이러한 단점 때문에 고체고분자 수전해는 아직 기술 개발 단계에 머물러 있고 알칼라인 수전해만이 유일하게 상용화되어 있는 수전해 기술이다. 하지만 이러한 알칼라인 수전해조차 화석연료를 이용한 수소생산비용의 3배 정도 비싸며 이 차이는 전해조의 효율개선만으로는 극복할 수 없는 수준이다.
· 상용 수전해는 수소와 산소가 동시에 생성되는 구조를 가지고 있다. 저항 감소를 위해 양 전극과 이온교환막 사이의 거리를 최소화시킨 셀의 형태는 수소와 산소의 혼합을 야기하며 이렇게 생성된 혼합가스는 가연성 한계에 쉽게 도달해 폭발의 위험성을 높이게 된다. 따라서 기존의 수전해 기술들은 항상 안전성의 문제가 거론되어 수소와 산소의 혼합 방지를 위한 분리막이 필수로 들어가거나 수소와 산소 발생 채널의 압력을 조절해야하는 등 추가적인 공정이 필요하다는 단점이 존재한다.
이러한 산소-수소 혼합 폭발의 위험을 완화시켰다고 하는 분리식 수전해 같은 경우에도 결국 산소발생반응이 제거된 것이 아닌 분리된 것으로 폭발위험요인인 산소가 결국 발생하는 것이며 폭발 가능성을 완전히 배제할 수는 없다. 또한, 분리식 수전해에서 이온교환막을 공정에서 제거하면서 비용적인 측면으로 이득을 볼 수 는 있지만 산화 환원 매개체라는 공정이 추가되는 것이며, 비용적 측면에서 큰 이득을 볼 수 있는 방법인 부가적인 생성물을 통한 비용회수(cost recovery)는 이루어지지 않는 수전해 방식이다.
한국등록특허 제2262416호, "고분자 전해질 수전해 스택용 막-전극 접합체 및 이의 제조방법" 한국공개특허 제2021-0109913호, "알칼라인 수전해 시스템"
본 발명의 실시예들은, 금속 분립체를 포함하는 금속 분립체 유체 전극을 이용하여 제2 유동 채널에서 금속을 금속 이온으로 산화반응을 유도하고 제1 유동 채널에서 물분해 반응을 일으켜 수소기체를 제조하는 동시에 수산화아연 또는/및 산화아연 입자(예를 들어, 수산화아연 또는/및 산화아연 나노입자) 생성물을 생성 할 수 있는 금속산화반응을 이용한 금속 분립체 유체 전극을 포함하는 초저전력의 알칼라인 수전해 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예들은, 단순히 수전해 장치의 성능/에너지 효율을 향상시키는 것에 국한되지 않고 공정을 진행함에 따라 합성되는 고부가가치의 산화아연을 통해 성장하는 산화아연 시장에 맞추어 비용적 우위를 점할 수 있는 금속 분립체 유체 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음극(Cathode); 상기 음극 상에 형성되는 형성되는 제1 유동 채널; 상기 제1 유동 채널 상에 형성되는 양이온교환막(CEM, Cation Exchange Membrane); 상기 양이온교환막 상에 형성되는 제2 유동 채널; 및 상기 제2 유동 채널 상에 형성되는 양극(Anode);을 포함하고, 상기 제2 유동 채널은 금속 분립체를 포함하여 금속 분립체 유체 전극(metal particle fluidic electrode)으로 사용된다.
상기 양이온교환막에 수직한 방향으로 전압이 인가되면, 상기 제2 유동 채널에서 상기 금속 분립체가 산화되며 금속 이온을 생성하는 동시에 상기 금속 분립체의 표준 환원 전위를 이용하여 상기 알칼라인 수전해 장치의 전위차를 조절할 수 있다.
상기 제2 유동 채널에서 생성된 금속 이온은 전기장의 방향에 따라 상기 제1 유동 채널로 이동할 수 있다.
상기 제1 유동 채널에서 물이 수소와 수산화 이온으로 분해되고, 상기 생성된 수산화 이온은 상기 금속 이온과 반응하여 수산화금속 및 산화금속 중 적어도 어느 하나를 생성할 수 있다.
상기 알칼라인 수전해 장치는 구동 온도를 조절하여 상기 제1 유동 채널 내에서 상기 수산화금속을 상기 산화금속으로 변환시킬 수 있다.
상기 구동 온도는 20℃ 내지 100℃일 수 있다.
상기 금속 분립체는 아연(Zn), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 철(Fe), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 알칼라인 수전해 장치는 상기 음극과 상기 제1 유동 채널의 계면에 양이온성 고분자 전해질층(cationic polyelectrolyte layer)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 제로갭 구조의 알칼라인 수전해 장치는 제1 유동 채널; 상기 제1 유동 채널 상에 형성되는 음극(Cathode); 상기 음극 상에 형성되는 양이온교환막; 상기 양이온교환막 상에 형성되는 양극(Anode); 및 상기 양극(Anode) 상에 형성되는 제2 유동 채널;을 포함하고, 상기 제2 유동 채널은 금속 분립체를 포함하여 상기 제2 유동 채널이 금속 분립체 유체 전극(Metal Particle Fluidic Electrode)으로 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음극(Cathode); 상기 음극 상에 형성되는 형성되는 제1 유동 채널; 상기 제1 유동 채널 상에 형성되는 음이온교환막(AEM, Anionic polyelectrolyte); 상기 음이온교환막 상에 형성되는 제2 유동 채널; 및 상기 제2 유동 채널 상에 형성되는 양극(Anode); 을 포함하고, 상기 제2 유동 채널은 금속 분립체를 포함하여 금속 분립체 유체 전극(Metal Particle Fluidic Electrode)으로 사용된다.
상기 음이온교환막에 수직한 방향으로 전압이 인가되면, 상기 제2 유동 채널에서 상기 금속 분립체가 산화되며 금속 이온을 생성하는 동시에 금속 분립체의 표준 환원 전위를 이용하여 상기 알칼라인 수전해 장치의 전위차를 조절할 수 있다.
상기 제1 유동 채널에서 물이 수소와 수산화 이온으로 분해되고, 상기 생성된 수산화 이온은 전기장의 방향에 따라 상기 제2 유동 채널로 이동할 수 있다.
상기 제2 유동 채널에서 상기 수산화 이온은 상기 금속 이온과 반응하여 수산화금속 및 산화금속 중 적어도 어느 하나를 생성할 수 있다.
상기 알칼라인 수전해 장치는 구동 온도를 조절하여 상기 제2 유동 채널 내에서 상기 수산화금속을 상기 산화금속으로 변환시킬 수 있다.
상기 구동 온도는 20℃ 내지 100℃일 수 있다.
상기 알칼라인 수전해 장치는 상기 제2 유동 채널과 상기 양극의 계면에 음이온성 고분자 전해질층(Anionic polyelectrolyte layer)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 금속 분립체를 포함하는 금속 분립체 유체 전극을 이용하여 제2 유동 채널에서 금속을 금속 이온으로 산화반응을 유도하고 제1 유동 채널에서 물분해 반응을 일으켜 수소기체를 제조하는 동시에 수산화아연 또는/및 산화아연 입자(예를 들어, 수산화아연 또는/및 산화아연 나노입자) 생성물을 생성 할 수 있는 금속 분립체 유체 전극을 포함하는 초저전력의 알칼라인 수전해 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 단순히 수전해 장치의 성능/에너지 효율을 향상시키는 것에 국한되지 않고 공정을 진행함에 따라 합성되는 고부가가치의 산화아연을 통해 성장하는 산화아연 시장에 맞추어 비용적 우위를 점할 수 있는 금속 분립체 유체 전극을 포함하는 알칼라인 수전해 장치를 제공할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 실시예에 따르면, 금속 분립체의 산화반응을 이용한 초저전력 알칼라인 수전해 장치는 수전해 뿐만 아니라 연료전지에 활용하여 성능향상 및 에너지 효율의 증가 효과를 가져올 수 있어 수소 수요 확대에 대응이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제로갭 구조의 알칼라인 수전해 장치를 도시한 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치를 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치를 도시한 현미경 이미지이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage) 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 7은 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치의 현미경 이미지이고, 도 8은 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage) 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 9는 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치에서 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 제1 유동 채널을 도시한 현미경 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제로갭 구조의 알칼라인 수전해 장치를 도시한 현미경 이미지이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 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, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "예", "측면", "예시" 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or'이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or'를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다'라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
아래 설명에서 사용되는 용어는, 연관되는 기술 분야에서 일반적이고 보편적인 것으로 선택되었으나, 기술의 발달 및/또는 변화, 관례, 기술자의 선호 등에 따라 다른 용어가 있을 수 있다. 따라서, 아래 설명에서 사용되는 용어는 기술적 사상을 한정하는 것으로 이해되어서는 안 되며, 실시예를 설명하기 위한 예시적 용어로 이해되어야 한다.
또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 설명 부분에서 상세한 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 아래 설명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 이해되어야 한다.
한편, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되지 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 막, 층, 영역, 구성 요청 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 층, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
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.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치를 도시한 개략도이고, 도 2는 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치를 도시한 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음극(Cathode; 110), 음극(110) 상에 형성되는 형성되는 제1 유동 채널(120), 제1 유동 채널(120) 상에 형성되는 양이온교환막(CEM, Cation Exchange Membrane; 130), 양이온교환막(130) 상에 형성되는 제2 유동 채널(140) 및 제2 유동 채널(140) 상에 형성되는 양극(Anode; 150);을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 기존 기술의 한계를 극복하기 위해 금속 분립체의 산화반응을 이용한 초저전력 양이온 교환막 알칼라인 수전해 장치로, 양극(150) 쪽의 제2 유동 채널(140)에서 금속 분립체를 금속 이온으로 산화반응을 유도하고, 음극(110) 쪽의 제1 유동 채널(110)에서 물분해 반응을 일으켜 수소기체를 제조하는 전기분해 기술이다.
이때, 자발적으로 산화되는 금속 분립체의 표준 환원 전위만큼 실제 사용되는 알칼라인 수전해 장치의 구동전압을 낮출 수 있어, 금속 분립체의 산화반응을 이용한 알칼라인 수전해 장치는 기존 방법보다 훨씬 낮은 전력으로 수소생산이 가능하며, 동시에 다양한 산업에서 활용 가능한 고부가가치의 산화금속(예; 산화아연)을 생산함으로써 추가적인 가치를 창출할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 비싼 촉매를 요구하고 수소-산소 혼합 폭발의 문제를 야기하는 산소발생반응을 금속산화반응으로 대체하여 안전성을 월등히 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 각 구성요소에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음극(Cathode; 110)을 포함한다.
음극(110)은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 구리(Cu), 티타늄(Ti)-루테늄(Ru) 합금에 코팅된 Ti-Ru/Ir 메쉬, 백금(Pt) 메쉬, 티타늄-루테늄 합금 Ti/Ru, 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide, ITO), 스테인리스 스틸(Stainless steel) 및 흑연(탄소 또는 흑연 섬유(graphite fiber)) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음극(110) 상에 형성되는 형성되는 제1 유동 채널(120)을 포함한다.
제1 유동 채널(120)은 음극 전해질을 포함할 수 있다.
음극 전해질은 페리시안화칼륨(K3Fe(CN)6), 염화나트륨(NaCl), 황산 나트륨(Na2SO4), 염산(HCl), 황산 나트륨(Na2SO4), 염화철(III)(FeCl3), 염화나트륨(NaCl) 및 수산화칼륨(KOH), 탄산수소암모늄(NH4HCO3), 탄산칼륨(K2CO3), 염화나트륨(NaOH), 탄산나트륨(Na2CO3) 및 초순수(Ultrapure water) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
음극 전해질은 용액의 형태일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 제1 유동 채널(120) 상에 형성되는 양이온교환막(CEM, Cation Exchange Membrane; 130)을 포함한다.
양이온교환막(130)은 양이온을 선택하여 투과시키는 합성수지막으로, 양이온교환막(130)은 음전하를 띠고 있어 음이온은 반발하여 통과가 어려우며, 양이온만을 통과시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 양이온교환막(130)을 포함하여 제2 유동 채널(140)에 포함된 금속 이온(양이온)을 제1 유동 채널(120)로 선택적으로 투과시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 금속 이온(양이온)이 전하 전달 이온으로 사용될 수 있다.
양이온교환막(130)은 유기물막을 포함할 수 있고, 바람직하게는, 양이온교환막(130)은 폴리스티렌(polystyrene), 폴리이미드(polyimide), 폴리에스테르 (polyester), 폴리에테르(polyether), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene), 폴리메틸암모늄클로라이드(polymethylammonium chloride) 및 폴리글리시딜메타크릴 레이트(polyglycidyl methacrylate) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 양이온교환막(130) 상에 형성되는 제2 유동 채널(140)을 포함한다.
제2 유동 채널(140)은 금속 분립체를 포함하여 금속 분립체 유체 전극(Metal Particle Fluidic Electrode)으로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치에 사용되는 전극(양극 및 음극 중 적어도 어느 하나)은 산화반응이 일어나는 극으로 만약 레독스 전위(Redox potential)가 존재하는 물질을 일반적인 고체 전극으로 사용할 경우 지속적인 산화 반응으로 인해 전극이 소모되는 문제가 발생할 수 있다. 이렇게 소모된 전극(양극 및 음극 중 적어도 어느 하나)은 교체가 필요해 연속적인 수전해 구동을 방해하게 된다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 시스템 구동과 동시에 전극의 교체가 이루어질 수 없는 기존의 전극에 비해 금속 분립체 유체 전극(metal particle fluidic electrode)으로 사용함으로써, 분립체가 시스템 구동과 동시에 전해질과 함께 유동채널(제1 유동 채널 및 제2 유동 채널 중 적어도 어느 하나) 내로 주입이 가능하며 유동채널 내에서 전극 대신 산화반응을 일으키며 소모될 수 있다.
따라서, 레독스 전위(Redox potential)가 존재하는 전극(electrode)을 전극에 해당되는 물질이 포함된 분립체로 대체하여 전극(즉, 양극 및 음극 중 적어도 어느 하나)이 소모되는 현상을 극복하며 연속적인 수전해가 가능하다.
또한, 금속 분립체는 전해질에 섞여서 유동채널(제1 유동 채널 및 제2 유동 채널 중 적어도 어느 하나)을 통해 셀 내부로 주입될 수 있으며, 유동채널(제1 유동 채널 및 제2 유동 채널 중 적어도 어느 하나) 내에서 고르게 퍼져 각각의 금속 분립체가 전극(양극 및 음극 중 적어도 어느 하나)을 대신하게 되기 때문에, 전극(양극 및 음극 중 적어도 어느 하나)의 소모 및 교체에 따른 유지보수비용 상승 문제를 해결할 수 있으며, 산화반응이 일어나는 유효 면적 증가를 통해 시스템의 효율 향상 및 수전해 용량 향상에 기여 할 수 있다.
또한, 금속 양극(150)의 산화 포텐셜을 이용하는 배터리를 수전해에 활용하여 전력 감소 효과를 얻고자 할 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 금속 분립체 유체 전극을 사용하여 양극(150) 물질을 지속적으로 공급해줄 수 있다.
따라서, 양이온교환막(130)에 수직한 방향으로 전압이 인가되면, 제2 유동 채널(140)에서 금속 분립체가 산화되어 금속 이온을 생성하는 동시에 알칼라인 수전해 장치의 전위차를 조절할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 수소생성채널(제1 유동 채널(120))과 금속 분립체 유체 전극(제2 유동 채널(140))이 이온선택성을 가진 양이온교환막(130)에 의해 분리되는 구조를 가지기 때문에, 양극(150) 쪽의 제2 유동 채널(140)에 있는 금속 분립체가 금속 이온으로 산화될 때 -0.76V의 표준환원전위를 가지는데, 이 반응을 이용하여 전기분해에 필요한 전위차를 낮춰 수소 생산 비용에서 이득을 볼 수 있다.
따라서, 양극(150) 쪽에서 일어나는 반응을 산소발생반응이 아닌 금속산화반응으로 대체함으로써 산소발생반응에 필요한 고가의 촉매를 사용할 필요가 없으며, 산소발생으로 인한 수소-산소 혼합가스 폭발의 위험을 배제할 수 있다.
또한, 양극(150) 쪽의 제2 유동 채널(140)에서 생성된 금속 이온과 음극(110) 쪽의 제1 유동 채널(120)에서 발생한 수산화 이온이 수전해 공정 내에서 양이온 교환막을 통해 이동하여 수산화금속 및 산화금속 중 적어도 어느 하나로 합성됨으로써, 금속(예; 아연)에 비해 가격이 높은 고부가가치의 생성물인 산화금속(예; 산화아연)을 통해 수소생산비용에서 큰 비용을 회수할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치의 전기 분해에 필요한 전위차는 -0.36V(저위발열량) 내외 일 수 있고, 전위차가 -0.36V 미만이면 물 분해가 일어나지 않는 문제가 발생할 수 있다.
금속 분립체는 아연(Zn), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 철(Fe), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 금속 분립체는 아연(Zn)을 포함할 수 있다. 아연은 +0.76V에 해당하는 높은 수준의 산화전위를 가지고 있는 물질로 다른 금속들에 비해 비용이 저렴하다는 장점과 비가연성이라는 장점이 존재한다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 양이온교환막(130)을 분리막으로 사용하고, 아연이온을 전하전달이온으로 사용하여 양극(150) 쪽의 제2 유동 채널(예; 아연분립체 유동 채널)에서 산화된 아연 이온이 양이온교환막(1630)을 통해 음극(110) 쪽으로 이동하고, 음극(110) 쪽에서 수소발생반응을 통해 발생한 수산화이온과 만나 산화아연을 생성할 수 있다.
또한, 전하전달이온으로 수산화이온을 사용하는 경우, 산화아연이 발생하면서 아연분립체 주변을 둘러싸 막을 형성해 아연의 산화반응을 막거나 생성물인 산화아연을 아연분립체로부터 떼어 내야하는 작업을 수행해줘야 할 가능성이 존재하나, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 전하전달이온으로 금속 분립체인 아연 분립체를 사용함으로써, 산화아연 발생 채널을 음극(110) 쪽으로 이동시켜 산화아연이 발생하면서 아연분립체 주변을 둘러싸 막을 형성해 아연의 산화반응을 막거나 생성물인 산화아연을 아연분립체로부터 떼어 내야하는 작업을 배제할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 제2 유동 채널(140) 내에 포함되는 금속 분립체의 농도에 따라 전자 전달능이 조절될 수 있고, 구체적으로, 제2 유동 채널(140) 내에 포함되는 금속 분립체의 농도 함량이 증가함에 따라 전극으로부터 금속 분립체로 전자가 효과적으로 전달이 되며 목표로 하는 산화환원반응 효율이 증가될 수 있다.
예를 들어, 제2 유동 채널(140) 내에 포함되는 금속 분립체의 농도는 1wt% 내지 20wt% 일 수 있고, 금속 분립체의 농도가 1wt% 미만이면 금속 분립체와 전극의 접촉이 불연속적으로 이어질 수 있는 문제가 있고, 20wt%를 초과하면 금속 분립체가 제2 유동 채널(140) 내에서 흐를 수 없게 된다는 문제가 있다.
실시예에 따라, 금속 분립체는 금속 나노입자일 수 있다.
또한, 제2 유동 채널(140)은 양극 전해질을 포함할 수 있다.
양극 전해질은 아세트산나트륨(CH3COONa)+인산염(phosphate), 인산완충생리식염수 (Phosphate-buffered saline, PBS), 염화 암모늄(NH4Cl), 모노나트륨 인산염(NaH2PO4), 페로시안화칼륨(K4Fe(CN)6), 황산 나트륨(Na2SO4), 탄산수소암모늄(NH4HCO3), 수산화나트륨(NaOH), 염화나트륨(NaCl), 염화철(II)(FeCl2), 황산(H2SO4), 염화나트륨(NaCl) 및 수산화칼륨(KOH) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있으며 이에 제한되지 않는다.
양극 전해질의 형태는 용액일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 제2 유동 채널(140) 상에 형성되는 양극(Anode; 150)을 포함한다.
양극(150)은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 이리듐(Ir), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 티타늄(Ti)-루테늄(Ru) 합금에 코팅된 Ti-Ru/Ir 메쉬, 백금(Pt) 메쉬, 티타늄-루테늄 합금 Ti/Ru 및 인듐 주석 산화물(Indium tin oxide, ITO) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 양극(150)은 티타늄V4A 스틸(steel)로 사용되는 크롬(Cr), 니켈(Ni), 몰리브덴(Mo), 스테인레스 스틸(Stainless steel)로 사용되는 크롬(Cr) 및 철(Fe) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치를 이용한 수전해 매커니즘을 살펴보면, 먼저, 양이온교환막(130)에 수직한 방향으로 전압이 인가되면, 제2 유동 채널(140)에서 금속 분립체가 산화되어 금속 이온을 생성하는 동시에 금속 분립체의 표준환원전위를 이용하여 알칼라인 수전해 장치의 전위차가 조절될 수 있다.
이 후, 제2 유동 채널(140)에서 생성된 금속 이온은 전기장의 방향에 따라 제1 유동 채널(120)로 이동할 수 있고, 동시에 제1 유동 채널(120)에서 물이 수소와 수산화 이온으로 분해되고, 생성된 수산화 이온은 금속 이온과 반응하여 수산화금속 및 산화금속 중 적어도 어느 하나를 생성할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 구동 온도를 조절하여 제1 유동 채널(110) 내에서 수산화금속을 산화금속으로 변환시킬 수 있다.
구동 온도는 20℃ 내지 100℃일 수 있고, 구동 온도가 20℃미만이면 물 분해에 필요한 깁스 자유 에너지가 높아지고, 그에 따라 필요한 최소 전압이 높아지는 문제가 있으며, 100℃를 초과하면 이온 전도도는 높아져서 수전해 성능이 상승할 수 있지만 온도를 높이기 위한 열 에너지가 더 들어가는 문제가 있고, 또한 수전해 장치 내에 액체 전해질인 물이 증발하고 장치 내에 들어가는 이온 교환막이 열에 의해 손상되어 수명이 줄어드는 문제가 있다.
예를 들면, 금속 분립체로 아연 분립체가 사용되는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 아연 산화반응 기반의 알칼라인 수전해 장치로, 아연이 산화되는 양극(150)과 수소가 발생하는 음극(110), 그 사이 양 전극 및 전해질을 물리적으로 구분해주는 양이온교환막(130)으로 구성될 수 있다.
이 때, 양이온교환막(130)에 수직한 방향으로 전압이 인가되면, 양극(150) 쪽에서 아연이 자발적으로 산화되며 반응이 가지는 표준 환원 전위만큼 물 분해에 필요한 전위차를 낮추어 줄 수 있고, 아연 이온은 양이온교화막(130)을 통과하여 음극(110) 쪽으로 이동하고, 이와 동시에 음극(110) 쪽에서 물이 수소와 수산화 이온으로 분해되어 수소가 발생되며 생성된 수산화 이온은 아연 이온과 만나 수산화아연으로 합성될 수 있다.
이때, 제1 유동 채널(110)에서의 물의 반응은 하기 식 1과 같고, 제2 유동 채널(140)에서의 아연 분립체의 반응은 하기 식 2와 같다.
[식 1]
H2O + 2e- → H2↑ + 2OH- (E0 = - 0.83V vs. SHE)
[식 2]
Zn → Zn2+ + 2e- (E0 = 0.76V vs. SHE)
또한, 구동온도 내에서 온도를 조절함에 따라 수산화아연에서 산화아연 입자(예를 들어, 산화아연 나노입자)로 생성물을 변환시킬 수 있고, 생성된 산화아연은 고무, 세라믹, 제약, 화장품 산업에 사용되는 첨단소재로 아연에 비해 가격이 높은 고부가가치의 생성물이다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 전극 물질을 제2 유동 채널(140)에 첨가하여 전극이 제2 유동 채널(140)에 유동되도록 형성함으로써 아연이 산화하며 방출하는 화학에너지로 구동에 필요한 전압을 낮추는 동시에, 양이온교환막(130)을 통해 아연 이온을 전달하여 음극 전해질 내에서 수산화아연/산화아연을 합성할 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음극(110)과 제1 유동 채널(120)의 계면에 양이온성 고분자 전해질층(cationic polyelectrolyte layer; 160)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 음극(110) 쪽의 수소발생채널에 양이온성 고분자 전해질층 층(160)을 추가함으로써, 양전하(+)를 띄는 양이온성 고분자 전해질은 전기장 방향으로 이동하는 성질이 있기 때문에 음극(110) 쪽으로 끌려가게 되고, 음극(110) 표면 위에 고분자전해질로 이루어진 막을 형성할 수 있다.
형성된 양이온성 고분자 전해질층(160)은 양전하를 띄고 있기 때문에 정전기적 성질을 통해 양이온은 반발하고 음이온은 통과시키는 역할을 수행하게 되기 때문에, 이를 통해 양이온교환막(130)을 통과해 음극(110) 쪽 제1 유동 채널(120)로 들어온 아연 이온이 음극(110) 위에서 환원되어 금속 수지상(dendrite)을 형성하지 못하게 막아주고, 수소발생반응을 통해 생성된 수산화이온은 통과시켜 수소가 발생하는 부분과 산화아연이 합성되는 부분을 분리할 수 있다.
또한, 고분자전해질(바람직하게는, 고분자 전해질 수용액)은 수용액 내에서 전하를 띄는 고분자사슬형태로 존재하기 때문에 다량의 물을 포함하고 있어 수소발생반응에 필요한 물의 공급에도 문제가 생기지 않으며, 전하를 띄는 고분자이기 때문에 전해질의 전도도를 높이는, 즉 저항을 낮추는 효과도 가져올 수 있다.
양이온성 고분자 전해질층(160)은 음극 전해질로 사용해 생성되는 수소와 수산화아연/산화아연을 분리함으로써 반응을 조절할 수 있다. 양이온성 고분자 전해질은 양전하를 띄고 있어 전압이 인가되면 생성되는 전기장에 의해 음극 쪽으로 이동하여 전극에 흡착된다. 이렇게 음극(110)을 감싼 양이온성 고분자 전해질은 제1 유동채널(120) 내의 아연이온이 음극(110)으로의 이동을 방해해 수지상 형성을 억제시킬 수 있다.
양이온성 고분자 전해질층(160)은 PQ-10, PEI(protonated polyethyleneimine), PAH(protonated poly(allylamine)), 및 PDADMAC (Polydiallyldimethylammonium chloride) 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 금속산화반응(예; 아연산화반응)을 이용한 초저전력 알칼라인 수전해 장치는 수전해 뿐만 아니라 연료전지에 활용해 성능향상 및 에너지 효율의 증가 효과를 가져올 수 있어 수소 수요 확대에 대응이 가능하다.
또한, 단순히 알칼라인 수전해 장치의 성능/에너지 효율을 향상시키는 것에 국한되지 않고 공정을 진행함에 따라 합성되는 고부가가치의 산화아연을 통해 성장하는 산화아연 시장에 맞추어 비용적 우위를 점할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 제로갭 구조의 알칼라인 수전해 장치를 도시한 개략도이다.
본 발명의 실시예에 따른 제로갭 구조의 알칼라인 수전해 장치는 제1 유동 채널(120), 제1 유동 채널(120) 상에 형성되는 음극(Cathode; 110), 음극(110) 상에 형성되는 양이온교환막(130), 양이온교환막(130) 상에 형성되는 양극(Anode; 150) 및 양극(150) 상에 형성되는 제2 유동 채널(140)을 포함하고, 제2 유동 채널(150)은 금속 분립체를 포함하여 제2 유동 채널(150)이 금속 분립체 유체 전극(Metal Particle Fluidic Electrode)으로 사용된다.
액체 전해질은 고체 고분자 이온교환막에 비해 상대적으로 이온 이동에 대해 저항이 크게 작용한다. 이온 이동 경로 방향으로 액체 전해질 채널의 길이가 길어질수록 저항이 커지고 길이가 짧을수록 저항이 작아지는 특징이 있고, 저항을 최소화 하기 위해서 액체 전해질 채널을 이온 이동 경로에서 제외시킨 것이 제로갭 구조이다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 제로갭 구조의 알칼라인 수전해 장치는 양극(150)과 양이온교환막(160)을 부착시키는 형태를 가짐으로써 양극(150) 및 음극(110)과 양이온교환막(130) 사이 높은 저항을 가지는 제1 유동채널(120), 제2 유동채널(140)을 아연 이온 이동 경로에서 제외, 양극 및 음극의 바깥쪽으로 위치함으로써 양극(150)과 음극(110) 사이의 저항을 최소화시킬 수 있다.
이에 따라 제로갭 구조에서는 같은 전압을 가하더라도 저항이 작게 작용해 높은 전류가 흐르게 되고, 전류 값에 비례하는 수소 발생량이 증가하게 된다. 또한, 도 1에서 양극(150)과 음극(110) 사이의 액체 전해질 내에서 발생하는 수소 기포는 수전해 장치의 저항으로 작용할 수 있으나, 도 3의 경우 양극부터 음극까지 아연 이온 이동 경로 내에서 수소 기포가 발생하는 것이 아닌 아연 이온 이동 경로 바깥에서 기포가 발생하므로, 수소 생산 과정 중에서 기포에 의한 전기 저항 증가 문제도 해결할 수 있어 마찬가지로 수소 발생량 증가의 효과를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치를 도시한 개략도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음이온교환막(230)을 사용함으로써, 전하전달이온으로 수산화 이온이 사용되는 것을 제외하면 본 발명의 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치와 동일한 구성요소를 포함할 수 있으므로, 동일한 구성 요소에 대한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음극(Cathode; 210), 음극(210) 상에 형성되는 형성되는 제1 유동 채널(220), 제1 유동 채널(220) 상에 형성되는 음이온교환막(AEM, Anionic polyelectrolyte; 230), 음이온교환막(230) 상에 형성되는 제2 유동 채널(240) 및 제2 유동 채널(240) 상에 형성되는 양극(Anode; 250)을 포함하고, 제2 유동 채널(240)은 금속 분립체를 포함하여 금속 분립체 유체 전극(Metal Particle Fluidic Electrode)으로 사용된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 제1 유동 채널(220) 상에 형성되는 음이온교환막(230)을 포함한다.
음이온교환막(230)은 음이온을 선택하여 투과시키는 합성수지막으로, 음이온교환막(230)은 양전하를 띠고 있어 양이온은 반발하여 통과가 어려우며, 음이온만을 통과시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음이온교환막(230)을 포함하여 제1 유동 채널(210)에 포함된 수산화 이온(음이온)을 제2 유동 채널(240)로 선택적으로 투과시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 수산화 이온(음이온)이 전하 전달 이온으로 사용될 수 있다.
음이온교환막(230)은 Fumatech사의 Fumasep FAA3, Tokuyama 사의 A201, Ionomr 사의 AEMION, Dioxide Material 사의 Sustainion, Orion Polymer사의 Durion TM1, Ralex 사의 AMHPP 및 Ralex 사의 AMHPES 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음이온교환막(230)에 수직한 방향으로 전압이 인가되면, 제2 유동 채널(240)에서 금속 분립체가 산화되어 금속 이온을 생성하는 동시에 알칼라인 수전해 장치의 전위차를 조절할 수 있다.
동시에, 제1 유동 채널(220)에서 물이 수소와 수산화 이온으로 분해되고, 생성된 수산화 이온은 전기장의 방향에 따라 제2 유동 채널(240)로 이동할 수 있다.
따라서, 제2 유동 채널에(240)서 수산화 이온은 금속 이온과 반응하여 수산화금속 및 산화금속 중 적어도 어느 하나를 생성할 수 있다.
이때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 구동 온도를 조절하여 제2 유동 채널(240) 내에서 수산화금속을 산화금속으로 변환시킬 수 있다.
구동 온도는 20℃ 내지 100℃ 일 수 있고, 구동 온도가 20℃ 미만이면 물 분해에 필요한 깁스 자유 에너지가 높아지고, 그에 따라 필요한 최소 전압이 높아지는 문제가 있으며, 100℃ 를 초과하면 이온 전도도는 높아져서 수전해 성능이 상승할 수 있지만 온도를 높이기 위한 열 에너지가 더 들어가는 문제가 있고, 또한 수전해 장치 내에 액체 전해질인 물이 증발하고 장치 내에 들어가는 이온 교환막이 열에 의해 손상되어 수명이 줄어드는 문제가 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 본 발명의 일실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치와 달리 전하 전달 이온으로 수산화이온이 사용되고, 이는 본 발명의 일실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치의 전하 전달 이온인 아연이온에 비해 월등히 높은 이온 이동성을 가지므로 제1 유동 채널(220), 제2 유동 채널(240) 및 음이온교환막(230)의 이온 이동 저항이 훨씬 낮기 때문에 같은 전압을 인가했을 때 흐르는 전류 값이 더 커지고, 그에 따른 수소 발생량이 증가될 수 있다.
실시예에 따라, 본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 제2 유동 채널(240)과 양극(250)의 계면에 음이온성 고분자 전해질층(Anionic polyelectrolyte layer; 260)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 음이온교환막(230)을 사용하여 수산화 이온을 전하 전달 이온으로 사용하는 경우, 양극(250)에서 생성되는 침전물을 방지하고자 전기장에 따라 양극(250) 쪽을 이동하는 음이온성 고분자 전해질 수용액을 사용하여 음이온성 고분자 전해질층(260)을 형성함으로써, 전극에서 생성되는 파울링(Fouling)을 방지할 수 있다.
[제조예 1] : 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치(도 1)
양극(Carbon); 아연 분립체를 포함하는 제2 유동 채널(ZnSO4 0.5M); 양이온교환막; 제1 유동 채널(NaOH 0.5M); 음극(Carbon)으로 구성된다. 제1 유동 채널과 제2 유동채널 모두 10uL/min 의 유속으로 전해질을 주입했고, 2V 전압을 인가한 상태로 기포가 발생하는 것을 관찰하였다. OCV(Open Circuit Voltage)의 경우, 기포 발생 실험을 위한 전압을 인가하기 전에 0A 전류 조건에서 측정되는 전압을 말하는 것이고, 이는 곧 전압을 인가했을 때 아연 산화 반응으로 얻는 전압 이득의 정도를 나타낸다.
[제조예 2]: 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치(도 2)
양극(Carbon); 아연 분립체를 포함하는 제2 유동 채널(ZnSO4 0.5M); 양이온교환막; 양이온성 고분자 전해질을 포함하는 제1 유동 채널(NaOH 0.5M + cationic polyelectroylte); 음극(Carbon)으로 구성된다. 사용한 양이온성 고체 고분자 전해질은 polyquaternium-10(pq-10) 1wt% 이다. 제1 유동 채널과 제2 유동채널 모두 10uL/min 의 유속으로 전해질을 주입했고, 2V 전압을 인가한 상태로 기포가 발생하는 것을 관찰하였다. OCV(Open Circuit Voltage)의 경우, 기포 발생 실험을 위한 전압을 인가하기 전에 0A 전류 조건에서 측정되는 전압을 말하는 것이고, 이는 곧 전압을 인가했을 때 아연 산화 반응으로 얻는 전압 이득의 정도를 나타낸다.
[제조예 3]: 본 발명의 실시예에 따른 제로갭 구조의 알칼라인 수전해 장치(도 3)
제2 유동 채널; 양극(Carbon); 양이온교환막; 음극(Carbon); 제1 유동 채널으로 구성되는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일하게 제조되었다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치를 도시한 현미경 이미지이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage) 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 제1 유동채널에 NaOH 0.5M 을 사용하였고, 음극 쪽 채널에서 수소 기포가 발생하는 하는 것을 알 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 작동 시 전압에서 0.651V 이득을 볼 수 있는 것을 알 수 있다.
도 7은 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치의 현미경 이미지이고, 도 8은 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치의 개방 회로 전압(Open Circuit Voltage) 측정 결과를 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 제1 유동채널에 NaOH 0.5M 및 양이온성 고분자 전해질인 pq-10 1wt% 를 사용하였고, 음극 쪽 채널에서 수소 기포가 발생하는 것을 알 수 있다.
도 8을 참조하면, 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치는 작동 시 전압에서 0.64V 이득을 볼 수 있는 것을 알 수 있다
도 9는 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 장치에서 양이온성 고분자 전해질층을 포함하는 제1 유동 채널을 도시한 현미경 이미지이다.
도 9를 참조하면, 실제 아연-아연 대칭 구조의 장치에서 음극 쪽에 생성된 양이온성 고분자전해질(PQ-10)층으로 인해 아연이온이 음극으로 이동하여 환원되지 못하고 수소발생반응만 발생하는 것을 확인 할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제로갭 구조의 알칼라인 수전해 장치를 도시한 현미경 이미지이다.
도 10은 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제로갭 구조의 알칼라인 수전해 장치가 잘 제조되는 것을 알 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
110, 210: 음극 120, 220: 제2 유동 채널
130: 양이온교환막 140, 240: 제2 유동 채널
150, 250: 양극 160: 양이온성 고분자 전해질층
230: 음이온교환막 260: 음이온성 고분자 전해질층

Claims (16)

  1. 음극(Cathode);
    상기 음극 상에 형성되는 형성되는 제1 유동 채널;
    상기 제1 유동 채널 상에 형성되는 양이온교환막(CEM, Cation Exchange Membrane);
    상기 양이온교환막 상에 형성되는 제2 유동 채널; 및
    상기 제2 유동 채널 상에 형성되는 양극(Anode);
    을 포함하고,
    상기 제2 유동 채널은 금속 분립체를 포함하여 금속 분립체 유체 전극(Metal Particle Fluidic Electrode)으로 사용되는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양이온교환막에 수직한 방향으로 전압이 인가되면, 상기 제2 유동 채널에서 상기 금속 분립체가 산화되어 금속 이온을 생성하는 동시에 상기 금속 분립체의 표준환원전위를 이용하여 상기 알칼라인 수전해 장치의 전위차를 조절하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 유동 채널에서 생성된 금속 이온은 전기장의 방향에 따라 상기 제1 유동 채널로 이동하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 유동 채널에서 물이 수소와 수산화 이온으로 분해되고, 상기 생성된 수산화 이온은 상기 금속 이온과 반응하여 수산화금속 및 산화금속 중 적어도 어느 하나를 생성하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 알칼라인 수전해 장치는 구동 온도를 조절하여 상기 제1 유동 채널 내에서 상기 수산화금속을 상기 산화금속으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 구동 온도는 20℃ 내지 100℃인 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분립체는 아연(Zn), 납(Pb), 카드뮴(Cd), 철(Fe), 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 알칼라인 수전해 장치는 상기 음극과 상기 제1 유동 채널의 계면에 양이온성 고분자 전해질층(cationic polyelectrolyte layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  9. 제1 유동 채널;
    상기 제1 유동 채널 상에 형성되는 음극(Cathode);
    상기 음극 상에 형성되는 양이온교환막;
    상기 양이온교환막 상에 형성되는 양극(Anode); 및
    상기 양극(Anode) 상에 형성되는 제2 유동 채널;
    을 포함하고,
    상기 제2 유동 채널은 금속 분립체를 포함하여 상기 제2 유동 채널이 금속 분립체 유체 전극(Metal Particle Fluidic Electrode)으로 사용되는 것을 특징으로 하는 제로갭 (zero-gap) 구조의 알칼라인 수전해 장치.
  10. 음극(Cathode);
    상기 음극 상에 형성되는 형성되는 제1 유동 채널;
    상기 제1 유동 채널 상에 형성되는 음이온교환막(AEM, Anionic polyelectrolyte);
    상기 음이온교환막 상에 형성되는 제2 유동 채널; 및
    상기 제2 유동 채널 상에 형성되는 양극(Anode);
    을 포함하고,
    상기 제2 유동 채널은 금속 분립체를 포함하여 금속 분립체 유체 전극(Metal Particle Fluidic Electrode)으로 사용되는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 음이온교환막에 수직한 방향으로 전압이 인가되면, 상기 제2 유동 채널에서 상기 금속 분립체가 산화되어 금속 이온을 생성하는 동시에 상기 금속 분립체의 표준환원전위를 이용하여 상기 알칼라인 수전해 장치의 전위차를 조절하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1 유동 채널에서 물이 수소와 수산화 이온으로 분해되고, 상기 생성된 수산화 이온은 전기장의 방향에 따라 상기 제2 유동 채널로 이동하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 유동 채널에서 상기 수산화 이온은 상기 금속 이온과 반응하여 수산화금속 및 산화금속 중 적어도 어느 하나를 생성하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 알칼라인 수전해 장치는 구동 온도를 조절하여 상기 제2 유동 채널 내에서 상기 수산화금속을 상기 산화금속으로 변환시키는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 구동 온도는 20℃ 내지 100℃인 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 알칼라인 수전해 장치는 상기 제2 유동 채널과 상기 양극의 계면에 음이온성 고분자 전해질층(Anionic polyelectrolyte layer)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 장치.
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