WO2019022515A1 - 전기화학적 산소 발생 장치 - Google Patents

전기화학적 산소 발생 장치 Download PDF

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김용태
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Definitions

  • the present invention relates to an electrochemical oxygen generator, and more particularly, to an electrochemical oxygen generator capable of being applied to various fields such as an oxygen generator or oxygen pump, oxygen compressor, oxygen concentrator, etc. for portable use, household use, medical use, .
  • Oxygen-related products are attracting attention as air pollution becomes serious due to recent environmental problems.
  • oxygen is an essential element in the survival of mankind, and in various fields, it is considered very important that oxygen is generated as needed on a high purity basis.
  • oxygen generators have been applied to various fields such as oxygen generators or oxygen pumps for oxygenators, oxygen compressors, oxygen concentrators, etc. for portable use, household use, medical use, automotive use, and industrial use.
  • an oxygen generating technique using a conventional PSA process, a membrane separation process, an oxygen tank, or the like is used.
  • the oxygen generating apparatus using the oxygen tank has an advantage that the price can be reduced, the apparatus can be miniaturized, and the noiseless vibration can be realized, there is a problem that oxygen is charged from the professional gas supplier periodically according to the use of the oxygen generating apparatus , And the use time of the oxygen generator is limited by the size of the oxygen tank, which is very inconvenient to use.
  • An object of the present invention is to provide an electrochemical oxygen generator capable of generating oxygen with noiseless and non-resonant use, and also capable of downsizing the apparatus by using an electrochemical method.
  • the oxygen reduction reaction takes place at the cathode where the outside air is introduced, the oxygen live reaction occurs at the anode where water is supplied, And an air flow rate at which external air is introduced is 20 ccm or more.
  • oxygen (O 2 ) is generated using an oxygen evolution reaction (OER) in the anode, and water (H 2 O) is generated.
  • OER oxygen evolution reaction
  • the present invention also provides a membrane-electrode assembly comprising an anode connected to a first pole of a power supply, a cathode connected to a second pole of the power supply, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode; A water supply source for supplying water to the anode; And an air supply unit for supplying oxygen to the cathode.
  • oxygen O 2
  • OER oxygen evolution reaction
  • ORR oxygen reduction reaction
  • the present invention further provides an oxygen generator comprising a water recovery line for recovering water (H 2 O) generated in the cathode to the water source.
  • the present invention may further comprise a first outer frame part located on the outer side of the anode and a second outer frame part located on the outer side of the cathode, wherein the first outer frame part comprises: a first outer frame; A water inlet located at one side of the first outer frame and an oxygen outlet located at the other side of the first outer frame, the second outer frame including a second outer frame; An oxygen injection port located at one side of the second outer frame, and a water outlet located at the other side of the second outer frame.
  • the present invention is supplied to the anode through the water (H 2 O) is the water inlet which is supplied from the water supply source, the anode in the water proton (H +) by electrolysis of (H 2 O), oxygen (O 2 ) and electrons, and the produced oxygen (O 2 ) is discharged through the oxygen outlet.
  • oxygen (O 2 ) in the air supplied from the oxygen inlet is passed through the electrolyte membrane And the generated hydrogen ion (H + ) reacts to generate water (H 2 O), and the generated water (H 2 O) is discharged through the water outlet.
  • the present invention is characterized in that the anode comprises a first support and a first catalyst layer located on one side of the first support, wherein the first support is selected from the group consisting of carbon black, ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, wherein the first catalyst layer is made of Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S and Mo metals and oxides, nitrides, carbides, phosphides, and sulfides of the above metals.
  • the present invention also provides an oxygen generating device comprising the same.
  • the cathode includes a second support and a second catalyst layer located on one side of the second support, and the second support is a layer of carbon or a transition metal oxide, nitride, And the second catalyst layer is at least one oxygen reduction reaction catalyst selected from the group consisting of Pt, Pd, Ir, Au, Ag and their alloys. Lt; / RTI >
  • the cathode includes a second support and a second catalyst layer located on one side of the second support, and the second support is a layer of carbon or a transition metal oxide, nitride, And the second catalyst layer is an Fe-NC catalyst.
  • the present invention provides an oxygen generator wherein the Fe-N-C catalyst suppresses the hydrogen production reaction and accelerates the oxygen reduction reaction.
  • a membrane-electrode assembly A power supply capable of applying a constant power supply; And a water supply source capable of supplying water to the anode of the membrane electrode assembly can constitute an oxygen generating apparatus in which oxygen (O 2 ) is generated.
  • the present invention can provide an electrochemical oxygen generator capable of generating oxygen by noiseless and non-vibrating use, and also by simplifying the structure of the apparatus and making it possible to miniaturize.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of an oxygen generating apparatus according to the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic exploded perspective view showing an application example of the oxygen generating apparatus according to the present invention
  • FIG. 3 is a partially assembled perspective view showing an application example of the oxygen generating apparatus according to the present invention
  • Fig. 3 is a schematic view showing a gasket in an engaged state of an application example of an oxygen generator.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 1.
  • FIG. 6 is a graph showing a change in oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 2.
  • FIG. 7 is a graph showing the change of the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 3. Fig.
  • FIG. 8 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 4.
  • FIG. 9 is a graph showing the change in the oxygen generating current density according to the air flow rate in Experimental Example 5.
  • FIG. 10 is a graph showing the change of the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 6. Fig.
  • FIG. 11 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 7.
  • FIG. 11 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 7.
  • spatially relative can be used to easily describe a correlation between an element and other elements.
  • Spatially relative terms should be understood in terms of the directions shown in the drawings, including the different directions of components at the time of use or operation. For example, when inverting an element shown in the figures, an element described as “below” or “beneath” of another element may be placed “above” another element .
  • the exemplary term “ below” can include both downward and upward directions.
  • the components can also be oriented in different directions, so that spatially relative terms can be interpreted according to orientation.
  • OER oxygen evolution reaction
  • HER hydrogen evolution reaction
  • an oxygen reduction reaction occurs at the anode
  • a hydrogen oxidation reaction occurs at the cathode.
  • the following reaction occurs at the anode and the cathode.
  • oxygen (O 2 ) is generated using oxygen evolution reaction (OER), which is a water electrolysis reaction in the anode, and oxygen reduction reaction (ORR) To generate water (H 2 O).
  • OER oxygen evolution reaction
  • ORR oxygen reduction reaction
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the principle of an oxygen generating apparatus according to the present invention.
  • an oxygen generator 10 includes an anode 30 connected to a first pole of a power supply unit 20; A cathode connected to a second pole of the power supply; And a membrane-electrode assembly 60 including an electrolyte membrane 50 provided between the anode and the cathode.
  • the first electrode may be an anode and the second electrode may be a cathode.
  • the oxygen generating apparatus 10 further includes a water supply source 70 for supplying water to the anode 30 and an air supply unit 80 for supplying oxygen to the cathode 40, .
  • the air supply unit 80 supplies oxygen to the cathode 40, and by supplying general air to the cathode, the air supply unit 80 can supply oxygen to the cathode 40.
  • the supply of oxygen by the air supply unit 80 may be understood as supplying air to the cathode 40 and may supply oxygen to the cathode 40 by supplying air to the cathode 40.
  • the air supply unit 80 may use a well-known fan, but does not limit the type of the air supply unit 80 in the present invention.
  • oxygen can be supplied to the cathode 40 by forcibly supplying air to the cathode 40.
  • the supply of oxygen by such a forced method can be expressed by the flow rate of air, which will be described later.
  • the anode electrolyzes water (H 2 O) supplied from the water supply source 70 to generate hydrogen ions (H + ), oxygen (O 2 ), and electrons.
  • the hydrogen ion (H + ) generated in the anode passes through the electrolyte membrane 50 and moves to the cathode.
  • oxygen (O 2 ) in the air supplied from the air supply unit 80 reacts with hydrogen ions (H + ) passing through the electrolyte membrane 50 to generate water (H 2 O) do.
  • oxygen (O 2 ) is generated using an oxygen evolution reaction (OER) in the anode, and water (H 2 O).
  • the oxygen generator 10 may further include a water recovery line 90 for recovering water (H 2 O) generated in the cathode 40 to the water source 70 which, however, the figure, the water (H 2 O) generated at the cathode 40, but shows that the recovery of the water supply source 70, Alternatively, the water generated in the cathode (40) (H 2 O can be discharged through any discharge line.
  • oxygen (O 2 ) is generated in the anode by the reaction between the anode and the cathode as described above.
  • the oxygen (O 2 ) generated from the anode can be applied to various fields such as an oxygen generator or an oxygen pump, an oxygen compressor, an oxygen concentrator, etc. for portable use, household use, medical use,
  • the membrane-electrode including the anode 30, the cathode 40, and the electrolyte membrane 50 provided between the anode and the cathode A junction body 60;
  • a power source device 20 capable of applying a predetermined power source to the anode and the cathode;
  • a water supply source 70 capable of supplying water to the anode;
  • the air supply unit 80 for supplying oxygen to the cathode 40 it is possible to construct the oxygen-generating apparatus in which the oxygen (O 2) occurs.
  • the complex oxygen generating process requires a large system size and a large amount of the adsorbent, In the case of these methods, since a compressor is used, there is a problem that noise and vibration are essentially generated.
  • the membrane-electrode assembly 60; A power source device 20 capable of applying a constant power source; A water supply source 70 capable of supplying water to the anode of the membrane-electrode assembly; And the air supply unit 80 for supplying oxygen to the cathode of the membrane-electrode assembly can constitute an oxygen generating apparatus in which oxygen (O 2 ) is generated.
  • the present invention can provide an electrochemical oxygen generator capable of generating oxygen by noiseless and non-vibrating use, and also by simplifying the structure of the apparatus and making it possible to miniaturize.
  • FIG. 2 is a schematic exploded perspective view showing an application example of the oxygen generating apparatus according to the present invention
  • FIG. 3 is a partially assembled perspective view showing an application example of the oxygen generating apparatus according to the present invention
  • Fig. 3 is a schematic view showing a gasket in an engaged state of an application example of an oxygen generator.
  • an application example of the oxygen generating apparatus according to the present invention as described later only shows an example of applying the principle of the oxygen generating apparatus according to the present invention shown in FIG. 1, The application of the oxygen generating apparatus of Figs.
  • an oxygen application apparatus 100 includes an anode 30 connected to a first pole of a power supply unit 20; A cathode connected to a second pole of the power supply; And a membrane-electrode assembly 60 including an electrolyte membrane 50 provided between the anode and the cathode.
  • the first electrode may be an anode and the second electrode may be a cathode.
  • the oxygen generating apparatus 100 includes a water supply source 70 for supplying water to the anode 30 and an air supply unit 70 for supplying oxygen to the cathode 40. [ (70).
  • the air supply unit 70 supplies oxygen to the cathode 40.
  • the air supply unit 80 supplies the cathode 40 with oxygen Can be supplied.
  • the supply of oxygen by the air supply unit 80 may be understood as supplying air to the cathode 40 and may supply oxygen to the cathode 40 by supplying air to the cathode 40.
  • the air supply unit 80 may use a well-known fan, but does not limit the type of the air supply unit 80 in the present invention.
  • oxygen can be supplied to the cathode 40 by forcibly supplying air to the cathode 40.
  • the supply of oxygen by such a forced method can be expressed by the flow rate of air, which will be described later.
  • the application example 100 of the oxygen generator according to the present invention further includes a water recovery line 90 for recovering water (H 2 O) generated in the cathode 40 to the water supply source 70 .
  • an application example 100 of the oxygen generator according to the present invention includes a first outer frame part 110 located outside the anode 30, And a second outer frame part 120 located outside the cathode 40.
  • the first outer frame part 110 includes a first outer frame 111; A water inlet 112 located at one side of the first outer frame 111 and an oxygen outlet 113 located at the other side of the first outer frame 111.
  • water (H 2 O) supplied from the water supply source 70 is supplied to the anode 30 through the water inlet 112, and the anode electrolyzes water (H 2 O) H + ), oxygen (O 2 ) and electrons, and the generated oxygen (O 2 ) can be discharged through the oxygen outlet 113.
  • the second outer frame part 120 includes a second outer frame 121; An oxygen inlet 122 located at one side of the second outer frame 121 and a water outlet 123 located at the other side of the second outer frame 121.
  • oxygen is supplied to the cathode 40 through the oxygen inlet 122 and oxygen (O 2 ) in the air supplied from the air supply unit (not shown) and the electrolyte membrane 50 the hydrogen ion (H +) to move through the reaction and thereby produce water (H 2 O), a produced water (H 2 O) can be discharged through the water discharge port 123.
  • water (H 2 O) generated in the cathode 40 can be recovered to the water supply source 70 through the water recovery line 90 or discharged through an arbitrary discharge line have.
  • an application example 100 of the oxygen generator according to the present invention includes a first outer frame part 110 and a second outer frame part 120, (Not shown).
  • the gasket 130 includes a gasket frame 131 fastened to the first outer frame part 110 and the second outer frame part 120 and a hollow part 132 located inside the gasket frame 131 ).
  • the gasket frame 131 may be made of Teflon or silicone.
  • the hollow portion 132 is provided with an anode 30, a cathode 40, and an electrolyte membrane 50 provided between the anode and the cathode.
  • the junction body 60 can be located.
  • the gasket part 130 supports the membrane electrode assembly 60 and prevents water supplied to the membrane electrode assembly 60 or water generated in the membrane electrode assembly 60 from flowing to the outside .
  • the anode 30 may include a first support, a first catalyst layer disposed on one side of the first support, and a first gas diffusion layer disposed on the other side of the first support.
  • the first support may be carbon black, ketjen black, acetylene black, activated carbon powder, carbon molecular sieve, carbon nanotube, activated carbon having micropores, mesoporous carbon, conductive polymer, or a mixture thereof.
  • the first catalyst layer is selected from the group consisting of Pt, Ir, Ru, Ni, Mn, Co, Fe, Ti, Re, Nb, V, S and Mo metals and oxides, nitrides, carbides, phosphides, At least one catalyst for oxygen generating reaction, and the first catalyst layer may be supported on the first support.
  • the cathode 40 may include a second support, a second catalyst layer disposed on one side of the second support, and a second gas diffusion layer positioned on the other side of the second support.
  • the second support may be at least one material selected from the group consisting of carbon or a transition metal oxide, nitride, carbide, phosphide, and sulfide.
  • the second catalyst layer may be at least one catalyst for oxygen reduction reaction selected from the group consisting of Pt, Pd, Ir, Au, Ag, or an alloy thereof, and the second catalyst layer may be a catalyst supported on the second support Lt; / RTI >
  • the alloy of Pt, Pd, Ir, Au and Ag may be a metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ir, Au and Ag and a transition metal, an alkali metal and a lanthanum metal.
  • the transition metal is selected from the group consisting of Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Hf, Ta,
  • the alkali metal is at least any one selected from the group consisting of K, Rb, Cs, Be, Mg, Ca, Cr, Ba and Ra, and the lanthanum metal is La, Y, Ce, Pr , Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Yb and Lu.
  • the second catalyst layer may be a noble metal oxygen reduction reaction catalyst having an Fe-N coordination bond, and the second catalyst layer may be supported on the second support.
  • an Fe-NC catalyst as the second catalyst layer for the cathode, and the Fe-NC catalyst can suppress the hydrogen generation reaction and accelerate the oxygen reduction reaction, Generation reaction does not occur and can be used at a wide range of potentials.
  • the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer facilitate the reaction gas to approach the catalyst layer.
  • the first gas diffusion layer of the anode must pass water supplied from the water supply unit
  • the second gas diffusion layer of the cathode should serve to pass oxygen supplied from the air supply portion.
  • the gas diffusion layer is not particularly limited as long as it performs such a role, but may include, for example, a carbon paper, a carbon cloth, or a metal plate in the form of a mesh.
  • the metal sheet material may be a stainless steel mesh, a titanium mesh or a nickel mesh.
  • the material of the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer is not limited in the present invention.
  • the electrolyte membrane 50 may be a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion exchange characteristics or a polymer electrolyte membrane having hydroxide ion exchange characteristics, in which hydrogen ions generated in the anode are transferred to the cathode.
  • the electrolyte membrane 50 may include a perfluoro proton conducting polymer membrane, a sulfonated polysulfone copolymer, a sulfonated poly (ether-ketone) based polymer, a perfluorinated sulfonic acid group containing polymer, a sulfonated poly An ether ether ketone polymer, a polyimide polymer, a polystyrene polymer, a polysulfone polymer, and a clay-sulfonated polysulfone nanocomposite.
  • the electrolyte membrane may include an aqueous solvent
  • the aqueous solvent may include at least one selected from the group consisting of H 2 SO 4 , HClO 4 , K 2 SO 4 , Na 2 SO 4 , H 3 PO 4 , H 4 P 2 O 7 , K 2 PO 4 , Na 3 PO 4 , K 3 PO 4 , HNO 3 , KNO 3 and NaNO 3 .
  • the thickness of the electrolyte membrane is less than 5 ⁇ ⁇ , the mechanical strength is lowered, the chemical stability is lowered, and the thickness of the electrolyte membrane is more than 300 ⁇ ⁇ .
  • the electrical resistance may increase.
  • a hot pressing apparatus can be used to carry out the hot press bonding process at a temperature of 120 to 150 DEG C and a time of 0.1 to 10 minutes at 50 to 200 kgf / cm < 2 >.
  • the catalyst was coated with Pt / C on the Nafion electrolyte membrane and the iridium oxide catalyst with a nanoporous structure on the anode using a spray or decal method.
  • the anode was supplied with water through a water source and generated oxygen through the OER. At this time, the hydrogen ions generated through the Nafion electrolyte membrane migrated and the oxygen in the air was reduced at the cathode to generate water.
  • FIG. 5 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 1.
  • Means of Pt / IrO 2 C- (Air-Water) in Figure 5 is, using the Pt / C catalyst and the cathode, the IrO 2 was used as an anode catalyst, and supplying air to the cathode through a separate air supply unit and Which means that the anode was supplied with water through a separate water source. The same shall apply hereinafter.
  • the catalyst was coated with platinum on the Nafion electrolyte membrane and the iridium oxide catalyst with nanoporous structure on the anode using spray, decal, or the like.
  • the evaluation of the unit cell was carried out in the same manner as in Experimental Example 1, except that the supply of water to the anode through the water supply source was cut off and the supply of air to the cathode through the air supply portion was cut off.
  • FIG. 6 is a graph showing a change in oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 2.
  • the catalyst was coated with platinum on the Nafion electrolyte membrane and the iridium oxide catalyst with nanoporous structure on the anode using spray, decal, or the like.
  • the evaluation of the unit cell was carried out in the same manner as in Experimental Example 1, except that water was supplied to the anode through a water supply source, but the supply of air to the cathode was interrupted through the air supply portion.
  • FIG. 7 is a graph showing the change of the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 3. Fig.
  • Pt / C is used as a cathode catalyst
  • IrO 2 is used as an anode catalyst
  • water of an anode is supplied through a water supply source.
  • Pt / C-IrO 2 It means that the supply of air to the cathode through the air supply part is cut off.
  • the catalyst was coated with platinum on the Nafion electrolyte membrane and the iridium oxide catalyst with nanoporous structure on the anode using spray, decal, or the like.
  • Water was supplied to the anode through a water supply source, but the voltage was applied to 1.8 V by shutting off the air at the cathode to perform the evaluation of the unit cell.
  • FIG. 8 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 4.
  • the catalyst was coated with platinum on the Nafion electrolyte membrane and the iridium oxide catalyst with nanoporous structure on the anode using a spray or decal method.
  • Water was supplied to the anode through a water supply source, air was supplied to the cathode through the air supply unit, and the air flow rate was varied from 5 to 100 cm 3 to evaluate the unit cell.
  • FIG. 9 is a graph showing the change in the oxygen generating current density according to the air flow rate in Experimental Example 5.
  • the supply flow rate of the air through the air supply unit is 20ccm or more.
  • An iridium oxide catalyst having a nanoporous structure was used for the anode on the Nafion electrolyte membrane, and the Fe / N / C catalyst other than Pt / C catalyst was used for the cathode. Respectively.
  • FIG. 10 is a graph showing the change of the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 6. Fig.
  • a current density of about 300 mA / cm 2 was obtained when a voltage of 1.4 V was applied. In this case, it was confirmed that the amount of oxygen generated at the anode was about 140 cm 3 / min (STP).
  • FIG. 11 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 7.
  • FIG. 11 is a graph showing a change in the oxygen generating current density according to the voltage of Experimental Example 7.
  • the amount of oxygen generated in the anode can be increased by varying the catalyst of the anode.
  • the membrane-electrode assembly 60; A power source device 20 capable of applying a constant power source; A water supply source 70 capable of supplying water to the anode of the membrane-electrode assembly; And the air supply unit 80 for supplying oxygen to the cathode of the membrane-electrode assembly can constitute an oxygen generating apparatus in which oxygen (O 2 ) is generated.
  • the present invention can provide an electrochemical oxygen generator capable of generating oxygen by noiseless and non-vibrating use, and also by simplifying the structure of the apparatus and making it possible to miniaturize.

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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; 상기 애노드에 물을 공급하기 위한 물공급원; 및 상기 캐소드에 산소를 공급하기 위한 산소공급부를 포함하고, 상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 상기 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시키는 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
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.
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 산소 발생 장치에 있어서, 상기 산소 발생 장치는, 외부의 공기가 유입되는 캐소드에서는 산소 환원 반응이 일어나고, 물이 공급되는 애노드에서는 산소 생생 반응이 일어나며, 상기 외부의 공기가 유입되는 공기 유량은 20ccm 이상인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치 를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 상기 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시키는 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; 상기 애노드에 물을 공급하기 위한 물공급원; 및 상기 캐소드에 산소를 공급하기 위한 공기공급부를 포함하고, 상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 상기 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시키는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 캐소드에서 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 주입구 및 상기 제1외부 프레임의 타측에 위치하는 산소 배출구를 포함하고, 상기 제2외부 프레임부는, 제2외부 프레임; 상기 제2외부 프레임의 일측에 위치하는 산소 주입구 및 상기 제2외부 프레임의 타측에 위치하는 물 배출구를 포함하는 산소 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 물공급원으로부터 공급되는 물(H2O)이 상기 물 주입구를 통해 상기 애노드로 공급되며, 상기 애노드에서는 물(H2O)을 전기분해하여 수소이온(H+), 산소(O2) 및 전자를 생성하고, 상기 생성된 산소(O2)는 상기 산소 배출구를 통해 배출되며, 상기 캐소드에서는, 상기 산소 주입구로부터 공급되는 공기 중의 산소(O2)와 상기 전해질막을 통과하여 이동한 수소이온(H+)이 반응하여 물(H2O)을 생성시키게 되며, 생성된 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 산소 발생 반응용 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 산소 환원 반응용 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 애노드에 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.
도 5는 실험예 1의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 6는 실험예 2의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 7은 실험예 3의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8은 실험예 4의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 9는 실험예 5의 공기 유량 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 10은 실험예 6의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 11은 실험예 7의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 12는 실험예 8의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
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
애노드: 2H2O →→ O2 + 4H+ + 4e- (OER)
캐소드: O2 + 4H+ + 4e- →→ 2H2O (ORR)
즉, 본 발명에서는 애노드에서는 수전해 반응인 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 캐소드에서는 연료전지 반응인 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시킨다.
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.
또한, 본 발명에 따른 산소 발생 장치(10)는, 상기 애노드(30)에 물을 공급하기 위한 물공급원(70)을 포함하며, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 공기공급부(80)를 포함한다.
이때, 상기 공기공급부(80)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 것으로, 일반적인 공기를 상기 캐소드에 공급함으로써, 상기 공기공급부(80)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있다.
한편, 상기 공기공급부(80)에 의한 산소의 공급은, 상기 캐소드(40)에 공기를 공급하는 것으로 이해될 수 있으며, 상기 캐소드(40)에 공기를 공급함으로써, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위하여, 상기 공기공급부(80)는 공지된 팬을 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 공기공급부(80)의 종류를 제한하는 것은 아니다.
즉, 상기 팬을 작동시켜, 상기 캐소드(40)에 강제로 공기를 공급함으로써, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있다.
본 발명에서, 이와 같은 강제적인 방법에 의한 산소의 공급은 공기의 유량으로 표현될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
한편, 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 막-전극 접합체(60)의 애노드와 캐소드에서는 하기와 같은 반응이 일어난다.
애노드: 2H2O →→ O2 + 4H+ + 4e- (OER)
캐소드: O2 + 4H+ + 4e- →→ 2H2O (ORR)
즉, 본 발명에서 상기 애노드에서는 물공급원(70)으로부터 공급되는 물(H2O)을 전기분해하여 수소이온(H+), 산소(O2) 및 전자를 생성한다.
이때, 상기 애노드에서 생성된 수소이온(H+)은 상기 전해질막(50)을 통과하여, 상기 캐소드로 이동하게 된다.
상기 캐소드에서는, 상기 공기공급부(80)로부터 공급되는 공기 중의 산소(O2)와 상기 전해질막(50)을 통과하여 이동한 수소이온(H+)이 반응하여 물(H2O)을 생성시키게 된다.
즉, 본 발명에서, 상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시킨다.
한편, 본 발명에 따른 산소 발생 장치(10)는, 상기 캐소드(40)에서 발생된 물(H2O)을 상기 물공급원(70)으로 회수하기 위한 물 회수라인(90)을 더 포함할 수 있으며, 다만, 도면에서는 상기 캐소드(40)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 애노드에 물(H2O)을 공급하는 것이 필수적이므로, 즉, 상기 물공급원(70)이 필수적인 구성에 해당하므로, 상기 캐소드(40)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); 상기 애노드에 물을 공급할 수 있는 물공급원(70); 및 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 공기공급부(80)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); 상기 막-전극 접합체의 애노드에 물을 공급할 수 있는 물공급원(70); 및 상기 막-전극 접합체의 캐소드에 산소를 공급하기 위한 공기공급부(80)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 애노드(30)에 물을 공급하기 위한 물공급원(70)을 포함하며, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 공기공급부(70)를 포함한다.
이때, 상술한 바와 같이, 상기 공기공급부(70)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위한 것으로, 일반적인 공기를 상기 캐소드에 공급함으로써, 상기 공기공급부(80)는 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있다.
한편, 상기 공기공급부(80)에 의한 산소의 공급은, 상기 캐소드(40)에 공기를 공급하는 것으로 이해될 수 있으며, 상기 캐소드(40)에 공기를 공급함으로써, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급하기 위하여, 상기 공기공급부(80)는 공지된 팬을 사용할 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 공기공급부(80)의 종류를 제한하는 것은 아니다.
즉, 상기 팬을 작동시켜, 상기 캐소드(40)에 강제로 공기를 공급함으로써, 상기 캐소드(40)에 산소를 공급할 수 있다.
본 발명에서, 이와 같은 강제적인 방법에 의한 산소의 공급은 공기의 유량으로 표현될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하기로 한다.
또한, 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 적용예(100)는, 상기 캐소드(40)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 주입구(112) 및 상기 제1외부 프레임(111)의 타측에 위치하는 산소 배출구(113)를 포함한다.
즉, 물공급원(70)으로부터 공급되는 물(H2O)이 상기 물 주입구(112)를 통해 상기 애노드(30)로 공급되며, 상기 애노드에서는 물(H2O)을 전기분해하여 수소이온(H+), 산소(O2) 및 전자를 생성하며, 상기 생성된 산소(O2)는 상기 산소 배출구(113)를 통해 배출될 수 있다.
또한, 상기 제2외부 프레임부(120)는, 제2외부 프레임(121); 상기 제2외부 프레임(121)의 일측에 위치하는 산소 주입구(122) 및 상기 제2외부 프레임(121)의 타측에 위치하는 물 배출구(123)를 포함한다.
즉, 상기 산소 주입구(122)를 통해 상기 캐소드(40)로 산소가 공급되고, 상기 캐소드에서는, 상기 공기 공급부(미도시)로부터 공급되는 공기 중의 산소(O2)와 상기 전해질막(50)을 통과하여 이동한 수소이온(H+)이 반응하여 물(H2O)을 생성시키게 되며, 생성된 물(H2O)은 상기 물 배출구(123)를 통해 배출될 수 있다.
이때, 상술한 바와 같이, 상기 캐소드(40)에서 발생된 물(H2O)은 상기 물 회수라인(90)을 통해 상기 물공급원(70)으로 회수되거나, 임의의 배출라인을 통해 배출시킬 수 있다.
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 산소 발생 반응용 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 산소 환원 반응용 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, 특히 애노드의 제1기체확산층은 물공급부로부터 공급되는 물을 통과시켜야 하고, 캐소드의 제2기체확산층은 공기 공급부로부터 공급되는 산소를 통과시키는 역할을 해야 한다.
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 애노드에서 발생한 수소 이온이 캐소드로 전달되는 전달 통로가 되는 것으로, 수소 이온 교환 특성을 갖는 고분자 전해질 막이거나 또는 수산화 이온 교환 특성을 갖는 고분자 전해질 막일 수 있다.
예를 들어, 상기 전해질막(50)은 퍼플루오로계 양성자 전도성 중합체막, 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/㎠으로 열가압 접합 공정을 실시할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 실험예를 설명하기로 하며, 다만, 본 발명의 권리범위는 하기의 실험예에 제한되는 것은 아니다.
[실험예 1]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 Pt/C을, 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 스프레이, 데칼 등의 방법을 이용하여 도포하였다.
상기 애노드는 물 공급원을 통하여 물을 공급 받고 그 물을 OER을 통해 산소를 발생시켰다. 이때 발생한 수소 이온은 나피온 전해질막을 통하여 이동하고 캐소드에서 공기 중의 산소가 환원되어 물이 생성되는 ORR이 발생하였다.
도 5는 실험예 1의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 5에서 Pt/C- IrO2 (Air-Water)의 의미는, 캐소드 촉매로 Pt/C를 사용하고, 애노드 촉매로 IrO2를 사용하였으며, 별도의 공기공급부를 통해 공기를 캐소드에 공급하고 및 별도의 물 공급원을 통해 애노드에 물을 공급하였음을 의미한다. 이하 동일한 의미에 해당한다.
도 5를 참조하면, 1.4 V 전압 인가 시 대략 1000mA/cm2의 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 애노드에서의 산소 발생량은 대략 350 cm3/min (STP) 임이 확인되었다.
[실험예 2]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을, 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 스프레이, 데칼 등의 방법을 이용하여 도포하였다.
이때, 물 공급원을 통한 애노드로의 물의 공급을 차단하고, 공기공급부를 통한 캐소드로의 공기의 공급을 차단한 것을 제외하고는 상술한 실험예 1과 동일하게 실시하여, 단위 전지 평가를 진행하였다.
도 6는 실험예 2의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 6에서 Pt/C-IrO2 (Non Air-Non Water)의 의미는, 캐소드 촉매로 Pt/C를 사용하고, 애노드 촉매로 IrO2를 사용하였으며, 물 공급원을 통한 애노드로의 물의 공급을 차단하고, 공기공급부를 통한 캐소드로의 공기의 공급을 차단하였음을 의미한다.
도 6를 참조하면, 1.4 V 전압 인가 시 0 mA/cm2의 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 캐소드에 공기 공급이 없고 애노드에 물 공급이 없으면 애노드에서 산소 발생 반응이 발생하지 않는 것이 확인되었다.
[실험예 3]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을, 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 스프레이, 데칼 등의 방법을 이용하여 도포하였다.
이때, 물 공급원을 통하여 애노드의 물을 공급하고, 다만, 공기공급부를 통한 캐소드로의 공기의 공급을 차단한 것을 제외하고는 상술한 실험예 1과 동일하게 실시하여, 단위 전지 평가를 진행하였다.
도 7은 실험예 3의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 7에서 Pt/C-IrO2 (Non Air-Water)의 의미는, 캐소드 촉매로 Pt/C를 사용하고, 애노드 촉매로 IrO2를 사용하였으며, 물 공급원을 통하여 애노드의 물을 공급하되, 다만, 공기공급부를 통한 캐소드로의 공기의 공급을 차단하였음을 의미한다.
도 7을 참조하면, 1.4 V 전압 인가 시 0 mA/cm2의 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 캐소드에 공기 공급이 없으면, 산소 환원 반응이 발생하지 않아, 애노드에서 산소 발생 반응이 발생하지 않는 것이 확인되었다.
[실험예 4]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을, 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 스프레이, 데칼 등의 방법을 이용하여 도포하였다.
상기 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급받고, 다만, 캐소드에서 공기를 차단하여 1.8 V 까지 전압을 인가하여 단위 전지 평가를 진행하였다.
도 8은 실험예 4의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 캐소드에 공기 공급이 없으면, 1.4 V 이상의 전압을 인가 하여야만 일정 전류 밀도가 얻어지는 것을 확인되었으나, 이 경우 캐소드에서 수소 발생 반응이 발생하는 것이 확인되었다.
즉, 실험예 1과 같은, 별도의 공기공급부를 통해 공기를 캐소드에 공급하고 별도의 물 공급원을 통해 애노드에 물을 공급한 경우, 0.6V 이상의 전압을 인가하는 경우에도 전류 밀도가 얻어지는 것과는 대조적인 결과에 해당하며, 또한, 실험예 1에서는 애노드에서 산소발생반응이 일어나나, 실험예 4에서는 캐소드에서 수소발생반응이 나타나는 것을 확인하였다.
[실험예 5]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을, 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 스프레이, 데칼 등의 방법을 이용하여 도포하였다.
상기 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하고, 상기 캐소드에는 공기공급부를 통하여 공기를 공급하되, 공기 유량을 5 ~ 100 ccm 까지 변화시켜 단위 전지 평가를 진행하였다.
도 9는 실험예 5의 공기 유량 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 공기 유량이 증가함에 따라 산소 발생 전류 밀도가 상승하는 것이 확인되었고 100 ccm 의 공기를 공급 하였을 때 1.4 V 전압 인가 시 1000mA/cm2의 전류가 얻어짐을 확인하였다.
다만, 공기의 유량이 5ccm 및 10ccm 인 경우, 발생되는 전류밀도가 미비하였으며, 따라서, 본 발명에서 상기 공기공급부를 통한 공기의 공급 유량은 20ccm 이상인 것이 바람직하다.
[실험예 6]
나피온 전해질막 상에 애노드에는 나노 다공성 구조의 이리듐 산화물 촉매를 사용하되, 캐소드에는 Pt/C의 촉매 대신, 다른 촉매인 Fe/N/C 촉매를 사용한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일하게 실시하였다.
이때, 캐소드의 촉매로 Fe/N/C를 사용한 경우에 있어서, (1) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하고, 캐소드에는 공기공급부를 통해 공기를 공급한 경우(Air - Water), (2) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하되, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air - Water), (3) 애노드에 물 공급원을 차단하여 물을 공급하지 않고, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air-Non Water)로 구분하여 단위 전지 평가를 진행하였다.
도 10은 실험예 6의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 1.4 V 전압 인가 시 약 300mA/ cm2 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 애노드에서의 산소 발생량은 대략 140 cm3/min (STP) 임이 확인 되었다.
하지만, 실험예 6의 경우도, (2) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하되, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air - Water), (3) 애노드에 물 공급원을 차단하여 물을 공급하지 않고, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air-Non Water)에는, 1.4 V 전압 인가 시 0 mA/cm2의 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 캐소드에 공기 공급이 없으면, 산소 환원 반응이 발생하지 않아, 애노드에서 산소 발생 반응이 발생하지 않는 것이 확인되었다.
[실험예 7]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을 사용하되, 애도드에도 캐소드와 동일한 백금 촉매를 사용한 것을 제외하고는, 실험예 1과 동일하게 실시하였다.
이때, 캐소드 및 애노드의 촉매로 모두 Pt/C를 사용한 경우에 있어서, (1) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하고, 캐소드에는 공기공급부를 통해 공기를 공급한 경우(Air - Water), (2) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하되, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air - Water)로 구분하여 단위 전지 평가를 진행하였다.
도 11은 실험예 7의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 애노드에 Pt/C촉매를 사용한 경우, 1.4 V 전압 인가 시 약 500mA/cm2 전류 밀도가 얻어졌으며, 따라서, 애노드의 촉매를 달리하더라도 산소발생반응이 일어남을 확인하였다.
하지만, 실험예 7의 경우도, (2) 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하되, 캐소드에는 공기공급부를 차단하여, 공기를 공급하지 않은 경우(Non Air - Water)에는, 1.4 V 전압 인가 시 0 mA/cm2의 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 캐소드에 공기 공급이 없으면, 산소 환원 반응이 발생하지 않아, 애노드에서 산소 발생 반응이 발생하지 않는 것이 확인되었다.
[실험예 8]
나피온 전해질막 상에 캐소드에는 촉매인 백금을 사용하되, 애도드에는 류테늄 산화물 촉매를 사용한 것을 제외하고는, 실험예 1과 동일하게 실시하였다.
이때, 애노드에 물 공급원을 통하여 물을 공급하고, 캐소드에는 공기공급부를 통해 공기를 공급하여 단위 전지 평가를 진행하였다.
도 12는 실험예 8의 전압에 따른 산소 발생 전류 밀도의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 애노드에 루테늄 산화물 촉매를 사용한 경우, 1.4 V 전압 인가 시, 상기 애노드에 이리듐 산화물 촉매를 사용한 경우보다 증가된 1200mA/ cm2 전류 밀도가 얻어졌으며, 이 경우 애노드에서의 산소 발생량은 대략 420 cm3/min (STP) 임이 확인 되었다.
따라서, 애노드의 촉매를 달리함으로써, 애노드에서의 산소발생량을 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에서는, 막-전극 접합체(60); 일정 전원을 인가할 수 있는 전원장치(20); 상기 막-전극 접합체의 애노드에 물을 공급할 수 있는 물공급원(70); 및 상기 막-전극 접합체의 캐소드에 산소를 공급하기 위한 공기공급부(80)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. 산소 발생 장치에 있어서,
    상기 산소 발생 장치는,
    외부의 공기가 유입되는 캐소드에서는 산소 환원 반응이 일어나고, 물이 공급되는 애노드에서는 산소 생생 반응이 일어나며,
    상기 외부의 공기가 유입되는 공기 유량은 20ccm 이상인 것을 특징으로 하는 산소 발생 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 상기 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시키는 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;
    상기 애노드에 물을 공급하기 위한 물공급원; 및
    상기 캐소드에 산소를 공급하기 위한 공기공급부를 포함하고,
    상기 애노드에서는 산소 생성 반응(oxygen evolution reaction, OER)을 이용하여 산소(O2)를 발생시키고, 상기 캐소드에서는 산소 환원 반응(oxygen reduction reaction, ORR)을 이용하여 물(H2O)을 발생시키는 산소 발생 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 캐소드에서 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 주입구 및 상기 제1외부 프레임의 타측에 위치하는 산소 배출구를 포함하고,
    상기 제2외부 프레임부는, 제2외부 프레임; 상기 제2외부 프레임의 일측에 위치하는 산소 주입구 및 상기 제2외부 프레임의 타측에 위치하는 물 배출구를 포함하는 산소 발생 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 물공급원으로부터 공급되는 물(H2O)이 상기 물 주입구를 통해 상기 애노드로 공급되며, 상기 애노드에서는 물(H2O)을 전기분해하여 수소이온(H+), 산소(O2) 및 전자를 생성하고, 상기 생성된 산소(O2)는 상기 산소 배출구를 통해 배출되며,
    상기 캐소드에서는, 상기 산소 주입구로부터 공급되는 공기 중의 산소(O2)와 상기 전해질막을 통과하여 이동한 수소이온(H+)이 반응하여 물(H2O)을 생성시키게 되며, 생성된 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 산소 발생 반응용 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 산소 환원 반응용 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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