KR100510093B1 - An anode for electrolysis of water and an electrolytic cell comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물의 전기분해를 위한 다공성 망목상 구조의 금속판으로 되어 있는 음극, 및 상기 음극, 양극 및 전해액 온도 유지 성분으로서 바나듐 산화물 (V2O5)이 용해된 전해액을 포함하는 전해조에 관한 것이다.The present invention relates to an electrolytic cell comprising a cathode made of a metal plate having a porous mesh structure for water electrolysis, and an electrolyte solution in which vanadium oxide (V 2 O 5 ) is dissolved as the cathode, anode, and electrolyte temperature maintaining components.
본 발명은 단위 부피당 음극의 유효 표면적을 최대화함으로써, 장치의 경량화, 소형화 및 가스 발생량의 최대화를 도모할 수 있고, 전해액 중에 전해액 온도 유지 성분을 첨가하여 줌으로써 간단한 방식으로 전해조의 온도를 일정 범위 내로 유지할 수 있으며, 음극이 전해액 중에 항상 침지된 상태로 유지될 수 있도록 제작하여 전력 낭비 및 장시간의 전기분해에 따른 음극면의 손상을 방지할 수 있다.The present invention can maximize the effective surface area of the negative electrode per unit volume, thereby minimizing the weight, miniaturization and maximization of gas generation amount of the device, and maintaining the temperature of the electrolyzer in a simple manner by adding an electrolyte temperature maintaining component to the electrolyte. The cathode may be manufactured so that the cathode is always immersed in the electrolyte to prevent damage to the cathode surface due to power waste and prolonged electrolysis.
Description
본 발명은 물의 전기분해를 위한 음극 및 그를 포함하는 전해조에 관한 것이다.The present invention relates to a cathode for electrolysis of water and an electrolytic cell comprising the same.
물의 전기 분해를 통하여 청정 에너지원인 수소 및 산소 가스를 효율적으로 발생시키고자 하는 연구는 지난 수십년간 광범위하게 이루어져 왔다. 특히, 재료 과학의 발전에 힘입어 전극, 전해액 첨가 촉매 성분 및 전해조 등에 대한 다양한 연구가 진행되면서 효과적인 물의 산화 환원 반응을 통하여 수소 및 산소 가스를 생산하기 위한 다각적인 연구와 시도가 전개되어 왔다.Efforts to efficiently generate hydrogen and oxygen gas, which are clean energy sources through electrolysis of water, have been extensively conducted for several decades. In particular, with the development of materials science, various researches on electrodes, electrolyte addition catalyst components, and electrolyzers have been conducted, and various studies and attempts for producing hydrogen and oxygen gas through effective redox reaction of water have been developed.
물의 전기분해를 통하여 수소 및 산소 기체를 발생시키는 장치를 개발하는 데에 있어서 현재 가장 중요하게 고려되고 있는 사항들은, 비교적 낮은 전위 및 소형, 경량의 경제적인 장치로도 다량의 기체 발생이 가능하여야 한다는 점 및 가스 발생 과정에서 장기간 사용시에도 가스 발생에 의해 야기되는 온도 상승 및 전극면 손상에 의하여 전해조 시스템이 불안정해지는 것을 방지하여야 한다는 점이다.At present, the most important consideration in developing a device for generating hydrogen and oxygen gas through electrolysis of water is that a large amount of gas can be generated by a relatively low potential and a small, light and economical device. In the point and gas generation process, the electrolyzer system should be prevented from being unstable due to temperature rise and electrode surface damage caused by gas generation even during long-term use.
이와 관련하여, 특히 상기 첫 번째 고려사항과 관련하여, 기체 발생량에 직접적인 영향을 미치는 전극의 전기화학적 특성을 개선시킨 다양한 전극 재료가 개발되어 왔다. 현재 물의 전기분해용 전해조에 채용되는 음극 재료로서 가장 광범위하게 사용되고 있는 것은 연상의 니켈 금속이다. 연상의 니켈 금속은 내부식성이 우수할 뿐만 아니라, 수소가스를 발생시키기 위하여 요구되는 과전위가 낮기 때문에 전기분해를 위한 음극 재료로서 매우 효과적인 것으로 알려져 있다.In this regard, in particular in connection with the first consideration above, various electrode materials have been developed which improve the electrochemical properties of the electrodes which directly affect the amount of gas generated. At present, the most widely used negative electrode material used in electrolytic cell for electrolysis of water is leaded nickel metal. Leaded nickel metal is known to be very effective as an anode material for electrolysis because of its excellent corrosion resistance and low overpotential required to generate hydrogen gas.
최근에는 니켈 음극의 부식 특성을 향상시키기 위해서 티탄, 지르콘, 니오븀, 하프늄, 탄탈, 백금족 금속, 코발트, 주석, 망간 등의 금속 원소 또는 그 산화물로 이루어진 도금 용액으로 처리함으로써 니켈 음극에 도금층을 형성하거나, 상기 금속의 보라이드 (boride), 니트라이드 (nitrides), 카바이드 (carbide), 술파이드 (sulfide)로 이루어진 군으로부터 선택된 화합물들을 이용하여 니켈 음극 표면을 코팅하는 방법이 개발되었다.Recently, in order to improve the corrosion characteristics of the nickel cathode, a plating layer is formed on the nickel cathode by treating with a plating solution composed of metal elements such as titanium, zircon, niobium, hafnium, tantalum, platinum group metals, cobalt, tin, and manganese or oxides thereof. A method of coating a nickel anode surface using compounds selected from the group consisting of borides, nitrides, carbides, and sulfides of the metals has been developed.
그러나, 전극 표면에서의 환원 반응과 산화 반응을 통해 물을 전기 분해시킴으로써 각각 수소 및 산소 기체를 발생시키기 위해서는, 각각의 전극이 요구하는 일정 수준 이상의 과전위 인가를 필요로 하며, 일단 적정 수순의 과전위가 인가된 상태에서는 전기 화학 반응에 참여하는 전극의 유효 면적이 수소 및 산소 기체의 발생량을 좌우하게 된다.However, in order to generate hydrogen and oxygen gas by electrolyzing water through the reduction reaction and the oxidation reaction on the electrode surface, application of a certain level of overpotential required by each electrode is required, and once the proper procedure is overloaded In the state where the stomach is applied, the effective area of the electrode participating in the electrochemical reaction depends on the amount of hydrogen and oxygen gas generated.
전극의 유효 면적을 극대화하기 위한 시도로서 대한민국 공개특허공보 제94-606호는, 전도성 모재 위에 니켈을 전기도금하고 다성분계 금속합금 분말을 복합도금하여 그중 가용성 금속만을 용출시켜 전극의 표면적을 증가시킴으로써 음극의 과전압을 감소시킨 전해조용 음극 및 이의 제조방법을 개시하고 있다. 그러나, 전도성 모재로서 종래 일반적으로 사용되는 디스크 형태의 음극을 채용함으로써, 가용성 금속의 용출에 의한 전극 표면 처리에 의하더라도 전극의 표면적이 극대화되는 데에는 한계가 있었다.In an attempt to maximize the effective area of the electrode, Korean Patent Laid-Open Publication No. 94-606 discloses an electroplating of nickel on a conductive base material and complex plating of a multi-component metal alloy powder to elute only the soluble metal, thereby increasing the surface area of the electrode. Disclosed are a cathode for an electrolytic cell and a method of manufacturing the same, in which overvoltage of a cathode is reduced. However, by adopting a disk type negative electrode generally used as a conductive base material, there is a limit to maximizing the surface area of the electrode even by electrode surface treatment by elution of soluble metal.
한편, 물의 전기분해 장치 개발에 대한 상기 두 번째 고려사항과 관련하여서는, 물의 전기분해가 진행됨에 따라서 야기된 고온 상태는 물의 전기분해 효율을 떨어뜨리는 문제점이 있으므로, 적절한 냉각 시스템에 의하여 전해액의 온도를 소정 범위 내로 유지시켜 주어야 할 필요성이 대두된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 전해조의 냉각을 용이하게 하기 위해 냉각 팬을 장치 내부에 장착하거나, 전극 자체를 라디에이터 형태로 제작하여 방열 면적을 넓히거나, 또는 전극 제작시 전극을 특수한 성분들로 도금함으로써 시스템 고온화를 방지하기 위한 시도들이 있었다.On the other hand, in relation to the second consideration for the development of the electrolysis device of water, the high temperature state caused by the electrolysis of water has a problem of reducing the electrolysis efficiency of water, so that the temperature of the electrolyte solution by an appropriate cooling system There is a need to keep it within a predetermined range. In order to solve this problem, conventionally, in order to facilitate the cooling of the electrolytic cell, a cooling fan may be mounted inside the apparatus, or the electrode itself may be manufactured in a radiator to increase the heat dissipation area, or the electrode may be plated with special components when manufacturing the electrode. Attempts have been made to prevent system high temperatures.
또한, 물의 전기분해가 진행됨에 따라 전극면 중의 일부가 전해액 수면 밖으로 노출되면 발생된 수소와 산소 기체는 전극의 손상을 초래하게 되며, 노출된 전극면은 불필요한 전력을 낭비하는 요인이 된다. 현재까지 개발된 전극/전해조 시스템은, 디스크 형태의 니켈 음극을 사각 박스형 혹은 원통형의 셀 프레임 내부에 배치하고 적절한 세퍼레이터(separator)와 O-ring을 음극들 사이에 두어 적층한 다음, 스테인레스 스틸 양극을 셀 프레임의 외면에 위치시켜서 음극과 접촉되지 않도록 하고 전극의 상부와 하부에 구멍을 형성하여 가스 흐름용 통로와 전해액 흐름용 통로를 마련하고, 별도의 가압 펌프를 추가로 설치하여 지속적으로 전해액을 전해조 내로 추가로 공급하여 줌으로써 전기분해 과정 중에 전극면의 절반 가량이 전해액 중에 침지되어 있도록 유지시켜 주는 구조를 일반적으로 채택하고 있다.In addition, as the electrolysis of water progresses, when some of the electrode surfaces are exposed out of the surface of the electrolyte, hydrogen and oxygen gas generated may cause damage to the electrodes, and the exposed electrode surfaces may be a waste of unnecessary power. The electrode / electrolyzer system developed to date has a disk-type nickel cathode placed inside a rectangular box or cylindrical cell frame, laminated with a suitable separator and O-ring between the cathodes, and then a stainless steel anode. It is located on the outer surface of the cell frame so that it does not come into contact with the cathode, and a hole is formed in the upper and lower portions of the electrode to provide a gas flow passage and an electrolyte flow passage, and an additional pressure pump is installed to continuously deliver the electrolyte solution. In general, a structure that maintains about half of the electrode surface to be immersed in the electrolyte during the electrolysis process is further adopted.
그러나, 전기분해가 진행됨에 따라 야기된 고온, 고압 조건으로 인한 전해조 시스템의 불안정성을 완화하기 위한 상기 방법들은 별도의 전극의 표면처리를 필요로 하므로 전기분해 효율을 저하시킬 수도 있으며, 전극면 중의 일부가 전해액 수면 밖으로 노출되어 전극면의 손상을 초래하거나 전력을 낭비하는 등 효율적으로 전기분해를 수행할 수 없다는 문제점이 있었다.However, the above methods for mitigating instability of the electrolyzer system due to the high temperature and high pressure conditions caused by the electrolysis may require surface treatment of a separate electrode, which may reduce the electrolysis efficiency. There is a problem that the electrolysis can not be efficiently performed, such as is exposed outside the surface of the electrolyte, causing damage to the electrode surface or wasting power.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 단위 부피당 유효 표면적을 최대화함으로써, 장치의 경량화, 소형화 및 가스 발생량의 최대화를 도모할 수 있으며, 전력 낭비를 최소화할 수 있도록 음극면을 설계함으로써 최소의 전력으로 장시간 동안 사용하더라도 음극면이 손상 없이 전기분해를 수행할 수 있는 전해조용 음극을 제공하는 것이다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is to maximize the effective surface area per unit volume, thereby minimizing the weight, miniaturization and gas generation of the device, and by designing the cathode surface to minimize the power consumption, the minimum power To provide a cathode for an electrolytic cell that can perform electrolysis without damaging the cathode surface even if used for a long time.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또 다른 과제는, 온도가 일정 범위 내로 유지될 수 있는 전해조를 제공하는 것이다.In addition, another object of the present invention is to provide an electrolytic cell in which the temperature can be maintained within a certain range.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 일 구현예에서, 망목상 구조의 금속판으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전해조용 음극을 제공한다.The present invention to achieve the above technical problem, in one embodiment, provides a cathode for an electrolytic cell, characterized in that the metal plate of the network structure.
또한, 본 발명은 다른 구현예에서, 양극, 음극 및 전해액을 포함하며, 상기 음극이 망목상 구조의 금속판으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 전해조를 제공한다.In another embodiment, the present invention provides an electrolytic cell comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, wherein the negative electrode is made of a metal plate having a network structure.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
본 발명의 전해조용 음극은 망목상 구조의 금속판으로 되어 있다. 이러한 망목상 구조의 금속판으로 된 음극은 같은 크기의 통상의 디스크 형태 음극 보다 수 배에서 수십 배에 이르는 표면적을 갖게 되며, 이에 따라 발생하는 수소 기체량도 수 배에서 수십 배에 이르게 된다.The cathode for an electrolytic cell of this invention is a metal plate of a mesh structure. The negative electrode made of a metal plate of the mesh structure has a surface area that is several times to several tens of times larger than a conventional disk-shaped negative electrode of the same size, and thus the amount of hydrogen gas generated is several to several tens of times.
이러한 표면적의 증가와 더불어, 기존의 디스크 음극에서는 상부와 하부에 발생 기체의 흐름 통로와 전해액 흐름 통로를 필요로 하는 관계로 주변에 전류 밀도가 증가되는 단점이 있었는데, 본 발명의 망목상 구조의 금속판으로 된 음극에서는 이러한 흐름 통로를 필요로 하지 않는 관계로 전류 밀도가 일정 부분에 집중되지 않고 전체적으로 고르게 분산되는 부가적 효과를 얻을 수 있게 된다.In addition to the increase in the surface area, the conventional disk cathode has a disadvantage in that the current density increases in the surroundings because the flow path of the generated gas and the electrolyte flow passage in the upper and lower portions, the mesh plate of the present invention In this case, since the flow path does not require such a flow path, an additional effect of dispersing the current density evenly without being concentrated in a certain portion can be obtained.
여기에서 음극으로 사용되는 금속판으로는 통상적으로 전극 재료로 사용될 수 있는 전도성 금속이라면 제한이 없으며, 철, 스테인레스 스틸 등으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속판인 것이 바람직하다.The metal plate used as the cathode is not particularly limited as long as it is a conductive metal that can be used as an electrode material, and is preferably a metal plate selected from the group consisting of iron, stainless steel, and the like.
또한, 망목의 모양은 상기 설명한 전극 표면적 증대 및 전류 밀도 분산이라는 효과를 달성할 수 있는 것이라면 제한이 없으며, 예를 들어 삼각형 이상의 다각형, 원형, 반원형, 타원형 등의 다양한 모양을 가질 수 있다. 망목상 구조는 통상적인 금속 가공 방법에 의해 형성될 수 있다. 도 1은 원형 또는 직사각형의 금속판 상에 사각형 모양의 망목이 형성된, 본 발명의 일 실시예에 의한 전해조용 음극을 도시하고 있다.In addition, the shape of the mesh is not limited as long as it can achieve the effects of the electrode surface area increase and the current density dispersion described above, for example, it may have a variety of shapes, such as polygons, circles, semicircles, ellipses or more. The network structure can be formed by conventional metalworking methods. 1 illustrates a cathode for an electrolytic cell according to an embodiment of the present invention in which a square mesh is formed on a circular or rectangular metal plate.
한편, 상기 망목상 구조의 금속판으로 된 음극은 도금층을 더 포함할 수도 있다. 상기 도금층은, 티탄, 지르콘, 니오븀, 하프늄, 탄탈, 백금족 금속, 코발트, 주석, 망간 등의 금속 원소 또는 그 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 것이 바람직하다.On the other hand, the negative electrode made of a metal plate of the network structure may further include a plating layer. The plating layer preferably includes at least one metal selected from the group consisting of metal elements such as titanium, zircon, niobium, hafnium, tantalum, platinum group metals, cobalt, tin and manganese or oxides thereof.
망목상 구조의 음극 표면에 티탄, 지르콘, 니오븀, 하프늄, 탄탈, 백금족 금속, 코발트, 주석, 망간 등의 금속 원소 또는 그 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속으로 된 도금층을 형성시킴으로써, 음극의 내부식성을 향상시키고, 수소 기체 발생에 요구되는 과전위를 더욱 낮출 수 있게 된다.By forming a plating layer of at least one metal selected from the group consisting of metal elements such as titanium, zircon, niobium, hafnium, tantalum, platinum group metals, cobalt, tin and manganese or oxides thereof on the surface of the cathode of the network structure, It is possible to improve the corrosiveness and lower the overpotential required for hydrogen gas generation.
상기 도금층은 표면에 세공을 포함하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 음극 상에 음극 표면 잔류 금속 성분과 가용성 금속 성분으로 이루어진 다성분계 금속 합금층을 형성한 후, 합금층 중의 가용성 금속 성분만을 용출 용매에 의하여 용출시키면, 가용성 금속 성분이 존재하던 영역이 세공으로 남게 된다.It is preferable that the said plating layer contains a pore in the surface. To this end, after forming a multi-component metal alloy layer composed of a negative electrode surface residual metal component and a soluble metal component on the negative electrode, only the soluble metal component in the alloy layer is eluted with the elution solvent, the region where the soluble metal component was present Will remain.
여기에서, 음극 표면의 내부식성, 전기 전도성 및 음극 표면 잔류 금속 성분과 가용성 금속 성분의 혼화성 등을 고려할 때, 상기 음극 표면 잔류 금속 성분으로는, 상기 도금층 성분으로 기재되어 있는 금속이 사용되며, 상기 가용성 금속 성분으로는 알루미늄, 마그네슘, 아연, 주석 및 구리 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 성분이 사용될 수 있다. 또한, 가용성 금속 성분의 용출 용매는, 음극 또는 음극 도금층에 악영향을 주지 않으면서 이러한 금속 성분들을 선택적으로 용해시키기에 적당한 것으로 당업계에 공지된 용매라면 제한이 없으며, 예를 들어 수산화칼륨 용액이 이용될 수 있으며, 20 내지 40 중량% 농도의 수산화칼륨 용액을 이용하는 것이 바람직하다.Here, in consideration of the corrosion resistance of the negative electrode surface, the electrical conductivity, and the miscibility of the negative electrode surface residual metal component and the soluble metal component, the metal described as the plating layer component is used as the negative electrode surface residual metal component, As the soluble metal component, one or more metal components selected from the group consisting of aluminum, magnesium, zinc, tin and copper may be used. In addition, the elution solvent of the soluble metal component is not limited so long as it is a solvent known in the art that is suitable for selectively dissolving such metal components without adversely affecting the negative electrode or the negative electrode plating layer, for example, potassium hydroxide solution is used. It is preferable to use a potassium hydroxide solution in a concentration of 20 to 40% by weight.
가용성 금속 성분이 선택적으로 용출되기에 충분한 시간 동안 다성분계 금속 합금층이 형성된 음극을 용출 용매 중에 침지함으로써, 바람직하게는 50 내지 60 ℃의 용출 용매 중에 8 내지 12 시간 동안 침지함으로써, 다공성 도금층을 가진 음극을 형성할 수 있다.The cathode having the multi-component metal alloy layer formed therein for a time sufficient to selectively elute the soluble metal component is immersed in the eluting solvent, preferably immersed in the eluting solvent at 50 to 60 ℃ for 8 to 12 hours, thereby having a porous plating layer. The cathode may be formed.
본 발명에 의하여 표면처리된 다공성 망목상 구조의 음극은, 도금 표면에 미세한 요철을 포함하기 때문에 음극의 표면적이 더욱 증가되는 효과를 갖는다. 즉, 본 발명의 다공성 망목상 구조의 음극은 망목상 구조 및 다공성 표면에 의하여 이중의 표면적 증대 효과를 얻게되며, 이러한 표면적 증대 효과에 의하여 종래의 디스크형 음극에 비하여 이론적으로 수천 배의 수소 기체를 발생시킬 수 있게 된다 (도 2 참조).The cathode of the porous mesh structure surface-treated by the present invention has the effect that the surface area of the cathode is further increased because the surface contains fine irregularities. That is, the cathode of the porous mesh structure of the present invention obtains a double surface area increase effect by the mesh structure and the porous surface, and by this surface area increase effect, theoretically thousands of times of hydrogen gas is compared with the conventional disc type cathode. Can be generated (see FIG. 2).
본 발명에 의한 전해조용 음극은, 바람직하게는, 음극 프레임 (1), 망목 구조부 (2) 및 보이드 공간 (void space) (3)을 포함하며, 더욱 바람직하게는 상기 보이드 공간의 크기는 상기 음극의 전체 크기의 2분의 1 이하이다. 종래의 통상적인 전해조의 경우에는, 보이드 공간을 갖지 않는 복수 개의 디스크형 음극을 적층하여 사용함으로써 음극 디스크 전체 표면의 3분의 1 내지 2분의 1 정도는 전해액 수면 밖으로 노출되는 구조를 갖는데 반하여, 본 발명에 의한 전해조용 음극은, 이와 같이 전해액 수면 밖으로 노출되는 부분에는 보이드 공간 (3)을 배치함으로써 망목 구조부 (2) 전체가 전해액 중에 침지되는 구조를 갖는다. 이러한 보이드 공간 (3)은, 과도하게 전해조의 부피 커지는 것을 방지하고, 효율적인 전기분해를 가능하게 하기 위하여 음극 전체 크기의 2분의 1 이하인 것이 바람직하다.The cathode for the electrolytic cell according to the present invention preferably comprises a cathode frame 1, a mesh structure 2 and a void space 3, more preferably the size of the void space is the cathode. Is less than half of the total size. In the conventional conventional electrolytic cell, by using a plurality of disk-shaped negative electrodes having no void space in a stacked manner, about one third to one half of the entire surface of the negative electrode disk is exposed out of the surface of the electrolyte. The cathode for an electrolytic cell according to the present invention has a structure in which the entire network structure 2 is immersed in the electrolyte by disposing the void space 3 in the portion exposed out of the surface of the electrolyte. It is preferable that such void space 3 is not more than 1/2 of the total size of the negative electrode in order to prevent excessive volume of the electrolytic cell and to enable efficient electrolysis.
도 3a 내지 도 3d는 각각, 음극 전체 크기의 약 2분의 1 정도 크기의 보이드 공간을 갖는 원형 음극, 음극 전체 크기의 약 3분의 1 정도 크기의 보이드 공간을 갖는 원형 음극, 음극 전체 크기의 약 2분의 1 정도 크기의 보이드 공간을 갖는 직사각형 음극, 및 음극 전체 크기의 약 3분의 1 정도 크기의 보이드 공간을 갖는 직사각형 음극을 도시한 것이다.3A to 3D show a circular cathode having a void space of about one half the size of the cathode, a circular cathode having a void space of about one third the size of the cathode, and A rectangular cathode having a void space of about one half the size, and a rectangular cathode having a void space of about one third the size of the entire cathode.
따라서, 본 발명에 따른 전해조용 음극은, 전해액 수면 밖으로 노출되는 부분이 존재하지 않는 관계로 전력 낭비 없이 효율적인 전기분해를 수행하는 것이 가능하며, 부가적으로 물의 전기분해가 진행됨에 따라 발생하는 수소 및 산소 기체에 의하여 야기되는 음극의 손상이 방지된다.Accordingly, the anode for the electrolytic cell according to the present invention can perform efficient electrolysis without waste of power since there is no portion exposed out of the surface of the electrolyte, and additionally, hydrogen and hydrogen generated as the electrolysis of water proceeds. Damage to the cathode caused by oxygen gas is prevented.
본 발명의 전해조는, 상기 음극, 양극 및 전해액을 포함한다.The electrolytic cell of this invention contains the said negative electrode, a positive electrode, and electrolyte solution.
본 발명의 전해조에 포함된 전해액은, 전해액의 온도 유지를 위한 성분으로서 바나듐 산화물 (V2O5)을 포함하고, 바나듐 산화물의 함량은 전해액 총 중량을 기준으로 15 내지 20 중량%인 것이 바람직하며, 바나듐 산화물의 함량이 15 중량%에 미달되는 경우에는 음극 전극의 활성화를 충분히 유지시키지 못하여 장시간 사용시 전류 효율의 저하를 가져오는 문제점이 있으며, 바나듐 산화물의 함량이 20 중량%를 초과하더라도 바나듐 산화물의 전해액 온도 유지 효과는 더 이상 증가하지 않는다.The electrolyte solution included in the electrolytic cell of the present invention includes vanadium oxide (V 2 O 5 ) as a component for maintaining the temperature of the electrolyte, and the content of the vanadium oxide is preferably 15 to 20% by weight based on the total weight of the electrolyte, When the content of vanadium oxide is less than 15% by weight, there is a problem that the activation of the cathode electrode is not sufficiently maintained, resulting in a decrease in current efficiency when used for a long time, even if the content of vanadium oxide exceeds 20% by weight of vanadium oxide. The effect of maintaining the electrolyte temperature no longer increases.
<실시예><Example>
실시예 1. 다공성 망목상 구조의 음극의 제조 Example 1 Preparation of Cathode of Porous Mesh Structure
스테인레스 스틸 또는 철 재질의 금속판을 음극 전극으로 사용하여, 2.2 M NiCl2, 2.0 M ZnCl2, 1.0 M H3BO3 및 0.65 M CoSO4 염이 포함되어 있는 도금 용액 (pH 3.5) 내에서 35 ~ 50 ℃의 도금 온도로, 10 ~ 50 mA/cm2의 전류를 10 내지 30분 동안 인가함으로써 음극 상에 30 내지 50 ㎛ 두께의 도금층을 형성하였다. 형성된 도금층은 50℃, 28% KOH 용액 중에서 12시간 동안 침지시키거나, 또는 10M KOH 용액에 8시간 동안 침지시킨 다음, 물로 세척하고 4시간 동안 증류수 중에 침지시킴으로써 이물질을 제거하여, 다공성 망목상 구조의 음극을 제조하였다.35 to 50 in a plating solution (pH 3.5) containing 2.2 M NiCl 2 , 2.0 M ZnCl 2 , 1.0 MH 3 BO 3 and 0.65 M CoSO 4 salts, using a stainless steel or iron metal plate as cathode electrode A plating layer having a thickness of 30 to 50 μm was formed on the cathode by applying a current of 10 to 50 mA / cm 2 for 10 to 30 minutes at a plating temperature of ° C. The formed plating layer was immersed in 50%, 28% KOH solution for 12 hours, or immersed in 10M KOH solution for 8 hours, then washed with water and immersed in distilled water for 4 hours to remove foreign matter, A negative electrode was prepared.
실시예 2. 전기분해 효율 Example 2. Electrolysis Efficiency
전해액으로서 20% NaOH 수용액을 사용하고, 음극으로서 두께 0.8 mm의 스테인레스 스틸 재질 금속판 (SS41)에 20 ㎛ 두께의 니켈을 도금시킨 일반 니켈 도금 음극, 50메쉬 규격의 망목을 갖는 망목상 구조의 니켈도금 음극 및 실시예 1에서 제조된 다공성 망목상 구조의 음극을 사용하였다. 각각 2개의 음극을 사용하였으며, 사용된 전극이 전해액 중에 침지되어 수소 및 산소 기체를 발생시키는 유효 면적은 0.52 cm2이었고, 측정시간은 5분으로 하였다. 소요 전력 및 발생된 수소 및 산소 기체의 부피 총합을 하기 표 1에 나타내었다.20% NaOH aqueous solution is used as electrolyte, and a nickel plated nickel plated nickel plated negative electrode having a mesh of 50 mesh size is plated with a nickel of 20 μm on a stainless steel metal plate (SS41) having a thickness of 0.8 mm as a cathode. The negative electrode and the negative electrode of the porous network structure prepared in Example 1 were used. Two cathodes were used, respectively, and the effective area where the used electrode was immersed in the electrolyte solution to generate hydrogen and oxygen gas was 0.52 cm 2 , and the measurement time was 5 minutes. The required power and the sum of the volumes of generated hydrogen and oxygen gas are shown in Table 1 below.
표 1로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 망목상 구조의 전극을 사용할 경우에는, 일반 니켈도금 전극에 비하여 더 작은 소요 전력 하에서도 더욱 큰 부피의 수소 및 산소 기체를 발생시킬 수 있으며, 더 나아가 본 발명에 따른 다공성 망목상 구조의 전극을 사용할 경우에는, 일반 니켈도금 전극 및 망목상 구조 전극에 비하여 더욱 큰 부피의 수소 및 산소 기체를 발생시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.As can be seen from Table 1, when using the network structure of the electrode according to the present invention, it is possible to generate a larger volume of hydrogen and oxygen gas under a smaller power consumption than the conventional nickel-plated electrode, more Furthermore, when using the electrode of the porous network structure according to the present invention, it can be seen that it can generate a larger volume of hydrogen and oxygen gas than the general nickel plated electrode and the network structure electrode.
실시예 3. 바나듐 산화물의 함량에 따른 전해액 온도 유지 효과 Example 3 Effect of Maintaining Electrolyte Temperature on the Content of Vanadium Oxide
전해액으로 15% NaOH 수용액을 사용하고, 전극으로서 실시예 2에서 사용된 일반 니켈도금 전극 144개를 사용한 전해조에 1% 바나듐 펜토사이드 (V2O5)를 첨가해 준 다음, 전기분해가 진행됨에 따른 전해액의 온도 변화를 관찰하였다.In the electrolytic solution, 15% NaOH aqueous solution was used as the electrolyte, and 1% vanadium pentoside (V 2 O 5 ) was added to the electrolytic cell using 144 general nickel-plated electrodes used in Example 2 as an electrode, followed by electrolysis. The temperature change of the electrolyte solution was observed.
비교예 1. 종래 전해조에서 전기분해에 따른 전해액 온도 변화 Comparative Example 1. Change of electrolyte temperature according to electrolysis in conventional electrolyzer
실시예 3과 동일한 조건 하에서 전기분해를 수행하되, 1% 바나듐 펜토사이드 (V2O5)를 첨가하지 않고, 전기분해가 진행됨에 따른 전해액의 온도 변화를 관찰하였다.Electrolysis was carried out under the same conditions as in Example 3, but the temperature change of the electrolyte solution was observed as the electrolysis proceeded without adding 1% vanadium pentoside (V 2 O 5 ).
표 2 및 표 3의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 바나듐 산화물이 첨가되지 않은 종래 전해액의 경우에는 전기분해가 진행됨에 따라 전해액의 온도가 지속적으로 상승하게 되고, 이에 따른 소요 전류도 지속적으로 증가하게 되지만, 전해액 온도 유지 성분으로서 1% 바나듐 펜토사이드 산화물이 첨가된 본 발명에 따른 전해액의 경우에는 시간이 경과하여도 전해액의 온도가 일정한 수준으로 유지되며, 소요 전류의 증가도 관찰되지 않음을 알 수 있다.As can be seen from the results of Table 2 and Table 3, in the case of the conventional electrolyte solution without added vanadium oxide, the temperature of the electrolyte solution is continuously increased as the electrolysis proceeds, and thus the required current is continuously increased. However, in the case of the electrolyte according to the present invention to which the 1% vanadium pentoside oxide is added as the electrolyte temperature maintaining component, the temperature of the electrolyte is maintained at a constant level over time, and no increase in the required current is observed. have.
본 발명에 따르면, 물의 전기분해를 위한 음극 및 그를 포함하는 전해조에 있어서, 단위 부피당 전극의 유효 표면적을 최대화함으로써, 장치의 경량화, 소형화 및 가스 발생량의 최대화를 도모할 수 있고, 전해액 중에 전해액 온도 유지 성분으로서 바나듐 산화물을 첨가하여 줌으로써 간단한 방식으로 전해조의 온도를 일정 범위 내로 유지할 수 있으며, 음극이 전해액 중에 항상 침지된 상태로 유지될 수 있도록 제작하여 음극의 노출을 방지함으로써 전력의 낭비 및 장시간의 전기분해에 따른 음극면의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, in the cathode for electrolysis of water and an electrolytic cell comprising the same, by maximizing the effective surface area of the electrode per unit volume, it is possible to reduce the weight of the device, miniaturization and maximize the amount of gas generated, and to maintain the electrolyte temperature in the electrolyte. By adding vanadium oxide as a component, it is possible to keep the temperature of the electrolytic cell within a certain range in a simple manner, and to prevent the exposure of the negative electrode by preventing the negative electrode from being immersed in the electrolyte at all times. There is an effect to prevent damage to the cathode surface due to decomposition.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 의한 망목상 구조의 금속판으로 된 음극에 대한 개략적 평면도이다.1 is a schematic plan view of a negative electrode made of a metal plate of a network structure according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 의한 다공성 망목상 구조의 음극에 대한 개략적 평면도 및 부분 확대 단면도이다.2 is a schematic plan view and a partially enlarged cross-sectional view of a cathode of a porous network structure according to another embodiment of the present invention.
도 3a 내지 3d는 본 발명의 또 다른 구현예에 의한 음극 프레임, 망목 구조부 및 보이드 공간을 포함하는 다공성 망목상 구조의 음극에 대한 개략적 평면도이다.3A to 3D are schematic plan views of a cathode of a porous mesh structure including a cathode frame, a mesh structure and a void space according to another embodiment of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명><Brief description of the main parts of the drawing>
1: 음극 프레임1: cathode frame
2: 망목 구조부2: mesh structure
3: 보이드 공간3: void space
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