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KR20020072193A - 물 전기분해 셀 및 이를 포함하는 전기분해 장치 - Google Patents

물 전기분해 셀 및 이를 포함하는 전기분해 장치 Download PDF

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KR20020072193A
KR20020072193A KR1020020010833A KR20020010833A KR20020072193A KR 20020072193 A KR20020072193 A KR 20020072193A KR 1020020010833 A KR1020020010833 A KR 1020020010833A KR 20020010833 A KR20020010833 A KR 20020010833A KR 20020072193 A KR20020072193 A KR 20020072193A
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KR
South Korea
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water
hydrogen
cell
positive electrode
electrode feeder
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KR1020020010833A
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조통래
조귀화
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조통래
조귀화
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Publication date
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Abstract

본 발명은 양극 급전체와 음극 급전체 사이에, 촉매 활성층이 형성된 고체고분자 전해질 막을 밀착 결합시킨 구조를 갖는 물 전기분해 셀 (cell) 및 이를 포함하는 전기분해 장치에 관한 것이다. 본 발명의 물 전기분해 셀은 전해질 막의 양면에 물의 분해와 가스 분리를 촉진하는 촉매막이 형성된 고체고분자 전해질 막과, 분해된 기체와 물의 유동로를 금속 메쉬망으로 형성한 급전체로 구성되어 있는데, 양극 급전체에서 산소, 오존 가스 및 수소 이온을 발생시켜 이로부터 산소 및 오존 가스를 얻고, 상기 수소 이온은 상기 고분자 전해질 막을 통해 상기 음극 급전체로 공급되어 분자화되어 수소 가스를 얻는다. 이러한 물 전기분해 셀을 포함하는 전기분해 장치는 순수한 물을 전기분해하여 고순도, 고농도의 산소, 오존 및 수소를 동시에 대량 생산할 수 있다.

Description

물 전기분해 셀 및 이를 포함하는 전기분해 장치{Water electrolysis cell and electrolysis system using it}
본 발명은 물 전기분해 셀 (cell) 및 이를 포함하는 전기분해 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 양극 급전체와 음극 급전체 사이에 촉매 활성층이 형성된 고체고분자 전해질 막을 밀착 결합시킨 구조를 갖는 물 전기분해 셀을 이용하여 순수한 물을 전기분해 함으로써 고순도, 고농도의 산소, 오존 및 수소를 동시에 생산할 수 있는 전기분해 장치에 관한 것이다.
종래의 수전해 장치는 KOH 등의 알칼리 전해액을 사용한 것으로 석면 등을 분리막으로 사용하였다. 이 장치는 알칼리 전해액을 사용하기 때문에 전극 및 전해조의 부식이 심하여 장치의 수명과 안정성에 문제가 많았고, 장치의 규모가 크며 소비 전력도 높았다. 따라서 종래의 수전해 장치는 부식 등의 문제로 높은 전압에서 작동하는 오존 제조에는 부적합하였고, 특히 직접 고농도, 고순도의 오존 및 오존수를 제조하기가 곤란하였다.
또한 지금까지는 전극을 물에 담그고, 각 전극의 물이 산성수나 알칼리수가 되게 하였는데, 이 기술들은 물이나 기체가 서로 혼합되거나, 순도나 농도가 불량하여 이용이 사실상 불가능하였다.
한편, 오존의 제조 측면에서, 종래에는 주로 습기가 제거된 순수한 산소나 공기를 연면방전이라는 전기방전법에 의해 오존을 제조하였다. 그러나 이 방법은 설비가 크고, 습기를 제거하여야 하며, 공기를 원료로 할 경우 유해한 질소 산화물이 부수적으로 생성되고, 오존 제조공정의 전후처리가 복잡하다는 단점을 갖고 있다.
이에 상기와 같은 단점을 극복할 수 있는 전기분해장치가 요구되고 있다.
본 발명의 목적은 물을 전기분해하여 고순도, 고농도의 산소, 오존 및 수소를 동시에 대량 생산할 수 있는 전기분해 장치 및 그에 사용되는 물 전기분해 셀을제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 수전해 장치 구성도.
도 2는 본 발명의 양극 급전체 구성도.
도 3은 본 발명의 음극 급전체 구성도.
도 4는 수분해 활성촉매가 부착된 고체고분자 전해질 막.
도 5는 전극판에 부착되는 가운데가 빈 고무 가스켓 평면도.
도 6은 전해질 막의 활성부분을 제외하고 급전체 전체를 덮는 비닐 가스켓.
도 7은 전해질 막에 전기와 물을 공급하는 급전체의 금속 메쉬 모형도.
도 8은 금속 메쉬망과 고무 가스켓 경계면을 덮는 금속 가스켓 평면도.
도 9a는 본 발명의 배출가스/물 공급의 상부 덮개판의 외부 모형도.
도 9b는 본 발명의 배출가스/물 공급의 상부 덮개판의 외부 모형도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1 : 정수기2 : 이온교환기
3 : 양극 급전체4 : 음극 급전체
5 : 기액 분리통6 : 압력조절 밸브관
7 : 수소/물분리통8 : 제습기
9 : 안전핀10 : 유량조절기
11 : 압력계지12 : 직류 가변전압공급기
13 : 전기제어장치14 : 개폐 밸브
15 : 수위 센서16 : 부이
17 : 음/양극 수전해 셀18 : 전해질 막
19 : 전극판20 : 고무 가스켓
21 : 비닐 가스켓22 : 양극전극단자
23 : 금속 메쉬망24 : 금속 가스켓
25, 27 : 결합 및 입구 유로 구멍26, 28 : 결합 및 출구 유로 구멍
29 : 음극전극단자
30 : 고체고분자 전해질 막에 부착된 수분해 활성촉매
31 : 전극판에 부착되는 고무 가스켓의 빈 공간
32 : 급전체 전체를 덮는 비닐 가스켓의 빈 공간
33, 34 : 금속 메쉬의 전극단자
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 전해질 막의 양측에 물의 분해와 가스 분리를 촉진하는 촉매막이 형성된 고체고분자 전해질 막과, 분해된 기체와 물의 유동로를 금속 메쉬망, 다공성 금속판 또는 산화물 소결체 등으로 형성한 양극 및 음극 급전체로 구성되는 물 전기분해 셀 및 이러한 전기분해 셀을 포함하는 전기분해 장치를 제공한다.
이하 본 발명을 도면과 함께 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면 본 전해장치는 외부로부터 물을 공급받아서 1차로 정수기(1)를 거쳐 불순물을 제거하고 다시 이온 교환기(2)를 통해 물 속의 금속 등 각종 이온들을 제거하여 물의 저항이 메가옴(㏁) 이상 되도록 한다. 이 비이온수는 음/양극 수전해 셀(17) 양극 급전체(3)에 공급되고, 일부는 음극 급전체(4)에 공급된다. 양극 급전체(3)에서는 물이 수소 이온과 오존 및 산소로 분해되며, 수소 이온은 전해질 막(18)을 통해 음극 급전체(4)로 가고, 오존과 산소 그리고 분해되고 남은 물은 기액 분리통(5)으로 간다. 여기서 가스상인 산소와 오존은 압력조절 밸브관(6)을 통해 배출되며, 물은 다시 이온교환기(2)를 통해 전극에 공급된다.
한편, 전해질 막(18)을 통과한 수소 이온은 음극 급전체(4)에서 수소 가스 분자가 되고 이것이 수소/물 분리통(7)을 통과한다. 이 수소는 제습기(8)를 통과시켜 순도를 향상시키고, 수소압이 정상 이상이 되어 위험하면 자동으로 열리는 안전핀(9)과 유량조절기(10), 압력계지(11)를 통과해서 밖으로 배출된다.
본 장치에는 전기분해에 공급되는 전원으로서 약 1.6볼트에서 600볼트까지 공급이 가능한 직류 가변전압공급기(12)를 사용하며, 직류전류는 특별한 제한이 없고, 이 가변전압으로 수소나 산소, 오존의 발생량을 조정한다. 또한 전기제어장치(13)는 수소/물 분리통(7)의 수위를 측정하는 센서(15)의 신호를 받으며, 일정 수위가 되면 밸브(14)가 잠겨서 더 이상 물이 음/양극 수전해 셀(17) 및 수소/물 분리통(7)으로 공급되는 것을 중지되도록 한다. 또한 부이(16)는 양극 급전체의 순환수가 충분할 경우, 부력에 의해 위로 치솟아 이온교환기(2)의 구멍을 막아 물의 공급을 중단하며, 수소/물 분리통(7)의 수위가 현저히 낮아지면 부이(16)가 내려가서 음/양극 수전해 셀(17) 및 수소/물 분리통(7)으로 물이 공급되도록 한다.
이하 본 발명의 음/양극 수전해 셀(17)을 별도로 상세히 설명한다(도 2 내지 도 9 참조).
본 발명에서 고체고분자 전해질 막을 이용한 물 전기분해 셀은 단극일 경우, 양극 급전체와 음극 급전체, 그사이에 밀착된 고체고분자 전해질 막으로 크게 구분되며, 이들을 순서대로 밀착 결합하여 구성된다.
수전해 셀(17)은 가운데 고체고분자 전해질 막(18, 도 4)이 있고 밑에는 양극 급전체(도 2)가 그 위에는 음극 급전체(도 3)가 있다.
양극 급전체(도 2)는 물을 수소, 산소 또는 오존으로 분해하는 역할을 한다.
본 발명의 양극 및 음극 급전체는 물과 발생기체가 밖으로 새지 않게 하기 위해 서로 맞붙여 조이는 구멍이 상하좌우로 가장자리에 각 3개 이상 있다 (도면에는 5개). 양극 급전체(도 2)는 전극판(19)위에 고무 가스켓(20, 도 5)과 비닐 가스켓(21, 도 6)이 적층된 구조이다.
전극판(19)은 편평하며 우측 하단에는 양극전극단자(22)가 있다. 상기 고무 가스켓(20) 및 비닐 가스켓(21)의 가운데는 4각형의 큰 구멍이 있는데 여기에는 서로 크기가 다른 금속 메쉬망(23, 도 7)을 최소한 2겹 이상 쌓아 놓는다. 금속 메쉬망(23, 도 7)과 고무 가스켓(20, 도 5)이 접하는 곳에 띠형의 금속 가스켓(24, 도 8)을 설치한다.
양극 급전체에 사용된 금속 메쉬망(23)은 결합 및 입구 유로구멍(25)과 출구 유로구멍(26)에 반정도 걸쳐지는 크기인 것이 바람직하다.
음극 급전체(도 3)는 그 구성이 양극 급전체와 근본적으로 같다. 다만 차이는 전해질 막(18, 도 4)을 중심으로 서로 반대편에 위치하고, 양극 급전체의 상하 결합 및 유로구멍(25, 26)이 90도 회전 이동하여 서로 직각이 되는 위치에 결합 및 유로구멍(27, 28)이 설치되어 있으며, 별도의 음극 전극단자(29)가 다르게 위치한다.
고체고분자 전해질 막(18, 도 4)은 가운데에 활성면(30)이 양면에 형성되어 있다. 여기에는 백금, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 이들의 합금 또는 이들의 조합과 같은 귀금속 촉매층이나 탄소가루에 이들 귀금속을 분산시켜서 고분자 결합제와 혼합한 제1금속 촉매층이 얇게 밀착 형성되어 있다. 또한 상기 양면에 형성된 촉매층의 일면에 이리듐, 베타형 산화납(이하 "β-PbO2"라 약칭함), 이들의 합금 또는 이들의 조합으로 형성된 제2 금속 촉매층이 더 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 이 고체고분자 전해질 막(18)의 가장자리에는 급전체에 있는 여러 결합구멍과 위치 및 크기가 동일한 구멍이 있다.
고무 가스켓(20, 도 5)은 가운데에 금속 메쉬망(23, 도 7)이 위치하도록 4각으로 공간(31)이 나 있다. 이 공간은 서로 대칭되는 곳에 결합 및 유로구멍(25, 26)이 통하도록 되어 있다.
비닐 가스켓(21, 도 6)은 가운데 공간(32)이 있는데, 크기가 반드시 금속 가스켓(24, 도 8)의 내부끝단까지 덮도록 되어 있다.
금속 메쉬망(23, 도 7)은 서로 메쉬 크기가 다른 것을 2겹 이상 동일 크기로 쌓아둔 것인데 대칭되는 위치에 있으며 상하 결합 및 유로구멍(25, 26)과 통로역할을 하는 연결대(33, 34)가 돌출되어 있다. 4각 메쉬망의 크기는 고체고분자 전해질막(18, 도 4)의 가운데 있는 활성면(30)의 크기와 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.
금속 가스켓(24, 도 8)은 띠 형태로 되어 있는데, 띠의 폭은 고무 가스켓(20, 도 5)의 내부 경계선과 금속 메쉬망(23, 도 7)의 외부 경계선이 닿는 부분을 충분히 덮을 수 있으면 된다. 또한 금속 메쉬망(23, 도 7)의 상하 연결대(33, 34)와 동일한 위치에 구멍난 가스켓대(35, 36)가 형성되어 있다.
한편, 본 발명의 물 전기분해 셀은 상기 금속 메쉬망 대신에 다공성 금속판 또는 산화물 소결체를 사용할 수 있다.
또한, 상기 양극 급전체에 사용되는 재료로는 티타늄 (Titanium); 스테인리스 스틸 (Stainless steel); 백금, 팔라듐 또는 β-PbO2이 도금된 티타늄; 백금, 팔라듐 또는 β-PbO2이 도금된 스테인리스 스틸 등이 있으며 순수한 β-PbO2을 사용하기도 한다.
또한, 상기 음극 급전체의 재료로는 티타늄; 스테인리스 스틸; 백금, 팔라듐 또는 β-PbO2이 도금된 티타늄; 또는 백금, 팔라듐 또는 β-PbO2이 도금된 스테인리스 스틸 등을 사용할 수 있다.
음극 급전체의 표면에는 음극 지지대(도 9a 및 도 9b)가 부착되어 있고, 여기에는 물이 양극 급전체의 입구 유로구멍(25)으로 들어가는 입구구멍 꼭지(38)와 출구 유로구멍(26)과 연결되어 오존수, 오존 및 산소가 함께 나오는 출구구멍 꼭지(39)가 있다. 음극 지지대의 배면 대각선 가장자리에는 음극 급전체의 결합 및 유로구멍(27, 28)과 통하는 통로(40, 41)가 있다. 가운데 큰 구멍(42)은 수소/물 분리통(7)과 연결되어 있어 발생된 수소는 이곳을 통해 수소/물 분리통(7)으로 빠져나간다.
전해셀의 용량을 확대하기 위해 복극식 전해 셀을 만들 수 있는데, 이것은 상기 양극 급전체(3)와 음극 급전체(4)를 고체고분자 전해질 막(18)을 사이에 두고 교대로 적층한 것이다. 적층마다 교대로 양극 통로(25, 26)는 양극끼리 연결되고 음극 통로(27, 28)는 음극끼리 연결하여 계속적으로 쌓는다.
전술한 본 발명의 장치를 이용한 시스템에서는, 물과 생성 기체가 각각 양극은 양극끼리, 음극은 음극끼리 연결되어 여러 복층이 가능하고, 각 전극은 금속 메쉬망, 다공성 금속판 또는 산화물 소결체를 여러 층 형성하여 만든 급전체로 전기 공급과 물 및 발생가스를 각각 분리 공급 가능케 하므로 99.99%의 고순도, 53%까지의 고농도로 오존, 산소 및 수소를 대량 제조할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 물 전기분해 셀을 포함하는 전기분해 장치는 물을 일반적인 전기분해보다 약간 높은 전압에서 전기분해하여 수소, 산소와 동시에 오존을 발생하게 하는 장치이다. 이러한 장치는 발생 가스량을 전압으로 조정할 수 있고, 폭발 위험성이 강한 수소를 별도로 유도하여 안전하게 배출할 수 있으며, 쉽게 복극식으로 제작 가능하므로 대용량이고, 순수한 산소, 수소, 오존과 오존수, 오존/산소 혼합 기체를 각각 제조할 수 있으므로 여러 가지로 효과적이고 안전하며 저렴한 기능을 갖춘 장치이다. 이러한 전기분해 장치는 다른 방식에 의한 전기분해 가스 제조방법보다 장치가 소규모이고, 가격이 저렴하며, 소모전력이 적고, 고농도의 오존제조가 가능하며, 오존수 및 가스 상태로의 제조가 용이한 장점이 있다.
본 발명의 장치에 의해 제조된 오존은 크게는 많은 호수, 하천의 생활하수, 공장폐수 등의 처리로 부영양화의 적조, 녹조, 악취 등의 제거에 사용될 수 있고, 제조된 산소 역시 오존과 비슷한 용도 외에 산업용 및 의학용 등의 다용도로 사용이 가능하며, 수소는 청정 연료원으로 역시 다양하게 이용가능하다.
특히 본 발명의 장치는 식음료품 가공처리, 의료, 의약분야 등에 광범위하게 이용되어 위생적인 수질 환경 유지, 쾌적한 주거환경 확보, 에너지 절약 및 효과적인 이용기술 등에 기여할 수 있다.

Claims (14)

  1. 양극 급전체와 음극 급전체 사이에, 촉매 활성층이 형성된 고체고분자 전해질 막을 밀착 결합시킨 구조를 포함하며, 양극 급전체에서 산소, 오존 가스 및 수소 이온을 발생시켜 이로부터 산소 및 오존 가스를 얻고, 상기 수소 이온은 상기 고분자 전해질 막을 통해 상기 음극 급전체로 공급되어 분자화되어 수소 가스를 얻는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀 (cell).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 및 음극 급전체는 각각 물이 공급 가능한 금속 메쉬망이 형성된 가스켓을 포함하며, 상기 양극 급전체에 형성된 메쉬망에서는 산소, 오존 가스 및 수소 이온이 발생하고, 상기 음극 급전체에 형성된 메쉬망에서는 수소 가스가 발생하는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 메쉬망은 메쉬 크기가 서로 다른 2 이상의 금속 메쉬망이 적층되어 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 가스켓은 고무 가스켓과 비닐 가스켓의 적층 구조로 형성되고, 상기 금속 메쉬망은 이들 사이에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀.
  5. 제 4 항에 있어서,
    금속 메쉬망과 고무 가스켓의 접촉 부위에는 띠 형태의 금속 가스켓이 형성된 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 급전체, 음극 급전체 및 전해질 막을 관통하는 1 이상의 통로를 포함하고, 상기 통로를 통해 외부로부터 물이 출입되는 동시에, 상기 양극 및 음극 급전체에서 발생된 기체를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 및 음극 급전체는 각각 물이 공급 가능한 다공성 금속판 또는 산화물 소결체가 형성된 가스켓을 포함하며, 상기 양극 급전체에 형성된 다공성 금속판 또는 산화물 소결체에서는 산소, 오존 가스 및 수소 이온이 발생하고, 상기 음극 급전체에 형성된 다공성 금속판 또는 산화물 소결체에서는 수소 가스가 발생하는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 고체고분자 전해질 막은 백금, 팔라듐, 이리듐, 로듐, 이들의 합금 및이들의 조합 중에서 선택되는 귀금속 촉매층; 또는 탄소 가루에 상기 귀금속을 분산시켜서 고분자 결합제와 혼합한 촉매층으로 구성되는 전해 활성면이 양면에 밀착 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 전해질 막의 양면에 형성된 전해 활성면의 일면에 이리듐, 베타형 산화납(β-PbO2), 이들의 합금 및 이들의 조합 중에서 선택된 금속 촉매층이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀.
  10. 제 1 항에 있어서,
    고체고분자 전해질 막을 사이에 두고 양극 급전체와 음극 급전체를 교대로 적층한 제 1 항의 셀 구조를, 양극 통로는 양극끼리 연결하고 음극은 음극끼리 교대로 연결하여 계속적으로 적층시킴으로써 복층 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 급전체의 재료는 티타늄 (Titanium); 스테인리스 스틸 (Stainless steel); 베타형 산화납(β-PbO2); 백금, 팔라듐 또는 β-PbO2이 도금된 티타늄; 및 백금, 팔라듐 또는 β-PbO2이 도금된 스테인리스 스틸 중에서 선택되고,
    상기 음극 급전체의 재료는 티타늄; 스테인리스 스틸; 백금, 팔라듐 또는 β-PbO2이 도금된 티타늄; 및 백금, 팔라듐 또는 β-PbO2이 도금된 스테인리스 스틸 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 셀.
  12. 제 1 항의 물 전기분해 셀을 포함하는 전기분해 장치.
  13. 제 1 항에 기재의 물 전기분해 셀; 정수기 및 이온교환기를 거쳐 상기 셀에 물을 공급하는 물 공급장치; 상기 셀 내의 급전체 수위 조절을 위한 자동 부이 장치, 수위 측정 센서 및 잠금 조절 밸브 장치 중의 1 이상; 전압 공급 장치; 상기 셀 내의 양극 급전체에 연결되어 양극에서 발생된 기체를 분리하는 가스/물 분리통; 음극 급전체에 연결되어 음극에서 발생된 수소를 분리하는 수소/물 분리통; 수소/물 분리통에 연결된 제습 장치와 수소압 안전핀 장치; 및 각 발생 가스를 조절하는 압력조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 전압 공급 장치는 물 전기분해 셀에 직류 전압을 1.6 내지 600 볼트까지 가변 공급할 수 있는 장치인 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
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