KR20240036814A - Electrochemical catalyst electrode and electrochemical cell comprising same - Google Patents
Electrochemical catalyst electrode and electrochemical cell comprising same Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240036814A KR20240036814A KR1020220115313A KR20220115313A KR20240036814A KR 20240036814 A KR20240036814 A KR 20240036814A KR 1020220115313 A KR1020220115313 A KR 1020220115313A KR 20220115313 A KR20220115313 A KR 20220115313A KR 20240036814 A KR20240036814 A KR 20240036814A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- electrically conductive
- electrochemical
- catalyst electrode
- conductive member
- region
- Prior art date
Links
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 239000005871 repellent Substances 0.000 claims abstract description 57
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 49
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 66
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 33
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 33
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 30
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 11
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 11
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims description 10
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 10
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 8
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 8
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 6
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 6
- 229920002493 poly(chlorotrifluoroethylene) Polymers 0.000 claims description 6
- 239000005023 polychlorotrifluoroethylene (PCTFE) polymer Substances 0.000 claims description 6
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical group [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 claims description 5
- 244000126211 Hericium coralloides Species 0.000 claims description 5
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 5
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 claims description 4
- 150000001299 aldehydes Chemical class 0.000 claims description 4
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 claims description 4
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 4
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 4
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N Ruthenium Chemical compound [Ru] KJTLSVCANCCWHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 3
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 241000894007 species Species 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 46
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 21
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 19
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 15
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 15
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 11
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 8
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 4
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 4
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 4
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 3
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 239000002585 base Substances 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 2
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O Ammonium Chemical compound [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N Borate Chemical compound [O-]B([O-])[O-] BTBUEUYNUDRHOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-M Formate Chemical compound [O-]C=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- ZRALSGWEFCBTJO-UHFFFAOYSA-N Guanidine Chemical class NC(N)=N ZRALSGWEFCBTJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003271 Ni-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003266 NiCo Inorganic materials 0.000 description 1
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M Nitrite anion Chemical compound [O-]N=O IOVCWXUNBOPUCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000388 Polyphosphate Polymers 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001128 Sn alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003973 alkyl amines Chemical class 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011133 lead Substances 0.000 description 1
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910003455 mixed metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-M perchlorate Inorganic materials [O-]Cl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- 239000001205 polyphosphate Substances 0.000 description 1
- 235000011176 polyphosphates Nutrition 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002940 repellent Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 229910052703 rhodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010948 rhodium Substances 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M sodium fluoride Chemical compound [F-].[Na+] PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 150000005621 tetraalkylammonium salts Chemical class 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
- C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
- C25B11/031—Porous electrodes
- C25B11/032—Gas diffusion electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
- C25B1/01—Products
- C25B1/23—Carbon monoxide or syngas
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
- C25B11/04—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
- C25B11/051—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier
- C25B11/055—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material
- C25B11/057—Electrodes formed of electrocatalysts on a substrate or carrier characterised by the substrate or carrier material consisting of a single element or compound
- C25B11/061—Metal or alloy
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
- C25B3/20—Processes
- C25B3/25—Reduction
- C25B3/26—Reduction of carbon dioxide
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/141—Feedstock
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/151—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
Abstract
본 발명은 기체 확산층 및 상기 기체 확산층의 표면 상에 적층된 촉매층을 포함하고, 상기 기체 확산층은 판상 구조를 갖는 전기 전도성 부재 및 판상 구조를 갖는 다공성 발수 부재를 포함하며, 상기 전기 전도성 부재의 양 면의 각각 법선 방향으로 상기 다공성 발수 부재가 외부에 노출되도록 상기 전기 전도성 부재의 어느 일면에 배치된 것인 전기화학 촉매 전극에 관한 것이다.The present invention includes a gas diffusion layer and a catalyst layer laminated on a surface of the gas diffusion layer, wherein the gas diffusion layer includes an electrically conductive member with a plate-shaped structure and a porous water-repellent member with a plate-shaped structure, and both sides of the electrically conductive member. It relates to an electrochemical catalyst electrode disposed on one surface of the electrically conductive member such that the porous water-repellent member is exposed to the outside in each normal direction.
Description
본 발명은, 전기화학 촉매 전극 및 이를 포함하는 전기화학 셀에 관한 것으로, 상세하게는 발수성 및 전기 전도성이 우수한 기체 확산층을 포함하는 전기화학 촉매 및 이를 포함하는 전기화학 셀에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical catalyst electrode and an electrochemical cell including the same, and more specifically, to an electrochemical catalyst including a gas diffusion layer with excellent water repellency and electrical conductivity, and an electrochemical cell including the same.
이산화탄소는 지구 온난화를 일으키는 온실 가스로서 감축시켜야 하는 대상이다. 이산화탄소를 감축시키는 방법으로 포집이나 화학적 전환 또는 전기화학적 전환 등의 방법이 알려져 있다. 이 중 전기화학적 전환방법은 다른 합성 기체를 제조할 수 있도록 성분을 정밀하게 조절할 수 있어 단순히 이산화탄소를 제거하는 것보다 경제적인 이득을 얻을 수 있다. 또한, 이산화탄소를 물과 함께 전기분해 하여 일산화탄소, 에틸렌, 메탄, 개미산, 개미산염, 다양한 탄화수소 및 알데하이드 또는 알코올 등의 유기물을 얻을 수 있다.Carbon dioxide is a greenhouse gas that causes global warming and must be reduced. Methods for reducing carbon dioxide include capture, chemical conversion, or electrochemical conversion. Among these, the electrochemical conversion method can precisely control the components so that other synthetic gases can be produced, which can provide economic benefits over simply removing carbon dioxide. Additionally, carbon dioxide can be electrolyzed with water to obtain organic substances such as carbon monoxide, ethylene, methane, formic acid, formate, various hydrocarbons, and aldehydes or alcohols.
이산화탄소가 전기화학적으로 분해되는 과정은 물의 전기분해 기술과 유사하지만, 강염기 분위기에서 전기화학 반응의 활성도가 좋아지기 때문에 일반적으로는 일정 농도의 KOH 수용액을 전해액으로 사용한다. 애노드에 물을 공급하면서 전류를 인가하면, 상기 물은 산소 기체 발생과 함께 수소 이온과 전자로 분해된다. 상기 전자는 외부 도선을 통해서 캐소드로 이동하고, 상기 수소 이온은 이온 선택성 분리막을 통해서 캐소드로 이동하게 된다. 이때, 이동된 상기 전자는 상기 캐소드로 공급된 이산화탄소 및 물과 함께 반응하여 일산화탄소와 수산화 이온(OH-)으로 분해가 되고, 생성된 수산화 이온은 애노드의 수소 이온(H+)과 반응하여 물을 생성함으로써 전기적 중성 상태가 된다. 상기 과정을 통해 이산화탄소의 전기화학적 분해 반응이 완성된다. 이때, 이산화탄소와 함께 공급된 상기 물은 상기 일산화탄소의 생성 반응과 별도로 이동된 상기 전자와 반응하여 전기분해되어 수소 기체를 발생시키고 동시에 수산화 이온을 생성하게 된다. 이러한 물과 전자의 반응은 상기 일산화탄소의 생성 반응과 경쟁 반응의 관계라고 할 수 있다. 상기 반응들은 전기화학 반응이기 때문에 전압을 조절하여 일산화탄소 생성량 및 수소/이산화탄소 비율을 용이하게 조절할 수 있다.The process of electrochemically decomposing carbon dioxide is similar to the electrolysis technology of water, but because the activity of electrochemical reactions improves in a strong base atmosphere, an aqueous KOH solution of a certain concentration is generally used as an electrolyte. When an electric current is applied while supplying water to the anode, the water is decomposed into hydrogen ions and electrons along with the generation of oxygen gas. The electrons move to the cathode through an external conductor, and the hydrogen ions move to the cathode through an ion-selective separator. At this time, the transferred electrons react with the carbon dioxide and water supplied to the cathode and are decomposed into carbon monoxide and hydroxide ions (OH - ), and the generated hydroxide ions react with the hydrogen ions (H + ) of the anode to produce water. This creates an electrically neutral state. Through the above process, the electrochemical decomposition reaction of carbon dioxide is completed. At this time, the water supplied together with carbon dioxide reacts with the electrons that are moved separately from the carbon monoxide production reaction and is electrolyzed to generate hydrogen gas and simultaneously generate hydroxide ions. This reaction between water and electrons can be said to be a competitive reaction with the carbon monoxide production reaction. Since the above reactions are electrochemical reactions, the amount of carbon monoxide produced and the hydrogen/carbon dioxide ratio can be easily adjusted by adjusting the voltage.
전기화학 셀 및/또는 스택에서의 전극 구조는 일반적으로 기체 확산층 상부에 전극 촉매를 도포하여 분리막과 전극 촉매 사이에서의 전기화학 반응을 유도하는 구조이나, 상기 분리막을 통해 넘어오는 전해액의 플러딩(Flooding) 현상으로 전극 촉매 및 기체 확산층이 젖게 되어(wetting) 활성이 저하되는 문제점이 발생하였다. 이에, 종래에는 상기 전극 촉매 및 기체 확산층이 젖게 되는 현상을 줄이기 위해 발수성이 우수한 소재의 기체 활성층을 사용하였으나, 전기 전도성이 열위하여 전기화학 셀 및/또는 스택에 체결하여 사용시 효율이 저하되는 문제점이 있었다.The electrode structure in an electrochemical cell and/or stack is generally a structure that applies an electrode catalyst on the upper part of the gas diffusion layer to induce an electrochemical reaction between the separator and the electrode catalyst, but flooding of the electrolyte flowing through the separator ) This phenomenon caused the electrode catalyst and gas diffusion layer to become wet, resulting in a decrease in activity. Accordingly, in the past, a gas active layer made of a material with excellent water repellency was used to reduce the phenomenon of the electrode catalyst and gas diffusion layer getting wet, but due to its poor electrical conductivity, there is a problem of reduced efficiency when used in an electrochemical cell and/or stack. there was.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 전극 촉매 및 기체 확산층이 젖는 현상을 방지하고, 전자 및 물질의 이동을 더욱 활성화시켜 전기화학 장치의 효율을 향상시킬 수 있는 전기화학 촉매 전극 및 이를 포함하는 전기화학 셀을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is an electrochemical catalyst electrode that can improve the efficiency of an electrochemical device by preventing the electrode catalyst and the gas diffusion layer from getting wet and further activating the movement of electrons and materials, and an electrochemical catalyst containing the same. It provides cells.
본 발명은, 전기화학 촉매 전극 및 이를 포함하는 전기화학 셀을 제공한다.The present invention provides an electrochemical catalyst electrode and an electrochemical cell including the same.
(1) 본 발명은 기체 확산층 및 상기 기체 확산층의 표면 상에 적층된 촉매층을 포함하고, 상기 기체 확산층은 판상 구조를 갖는 전기 전도성 부재; 및 판상 구조를 갖는 다공성 발수 부재를 포함하며, 상기 전기 전도성 부재의 양 면의 각각 법선 방향으로 상기 다공성 발수 부재가 외부에 노출되도록 상기 전기 전도성 부재의 어느 일면에 배치된 것인 전기화학 촉매 전극을 제공한다.(1) The present invention includes an electrically conductive member comprising a gas diffusion layer and a catalyst layer laminated on a surface of the gas diffusion layer, wherein the gas diffusion layer has a plate-shaped structure; and an electrochemical catalyst electrode that includes a porous water-repellent member having a plate-shaped structure, and is disposed on one side of the electrically conductive member so that the porous water-repellent member is exposed to the outside in a direction normal to both surfaces of the electrically conductive member. to provide.
(2) 본 발명은 상기 (1)에 있어서, 상기 다공성 발수 부재는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리플루오로알콕시(PFA), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리플루오로에틸렌프로필렌(PFEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전기화학 촉매 전극을 제공한다.(2) The present invention according to (1) above, wherein the porous water-repellent member is polytetrafluoroethylene (PTFE), polyfluoroalkoxy (PFA), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyfluoroethylene propylene ( It provides an electrochemical catalyst electrode containing at least one member selected from the group consisting of PFEP) and polychlorotrifluoroethylene (PCTFE).
(3) 본 발명은 상기 (1) 또는 (2)에 있어서, 상기 전기 전도성 부재는 구리(Cu), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 안티모니(Sb) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전기화학 촉매 전극을 제공한다.(3) The present invention according to (1) or (2) above, wherein the electrically conductive member is copper (Cu), titanium (Ti), ruthenium (Ru), palladium (Pd), tin (Sn), and iridium (Ir). ), platinum (Pt), tantalum (Ta), antimony (Sb), and manganese (Mn).
(4) 본 발명은 상기 (1) 내지 (3)에 중 어느 하나에 있어서, 상기 전기 전도성 부재는 상기 다공성 발수 부재가 배치되는 제1 영역 및 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역을 포함하는 것인 전기화학 촉매 전극을 제공한다.(4) The present invention is according to any one of (1) to (3) above, wherein the electrically conductive member includes a first region where the porous water-repellent member is disposed and a second region surrounding the first region. An electrochemical catalyst electrode is provided.
(5) 본 발명은 상기 (4)에 있어서, 상기 다공성 발수 부재의 면적은 상기 전기 전도성 부재의 제1 영역 면적보다 넓은 것인 전기화학 촉매 전극을 제공한다.(5) The present invention provides the electrochemical catalyst electrode according to (4) above, wherein the area of the porous water-repellent member is larger than the area of the first region of the electrically conductive member.
(6) 본 발명은 상기 (4) 또는 (5)에 있어서, 상기 다공성 발수 부재 및 상기 전기 전도성 부재의 제1 영역의 면적 크기의 비는 1:0.1 내지 1인 것인 전기화학 촉매 전극을 제공한다.(6) The present invention provides the electrochemical catalyst electrode according to (4) or (5) above, wherein the ratio of area sizes of the porous water-repellent member and the first region of the electrically conductive member is 1:0.1 to 1. do.
(7) 본 발명은 상기 (4) 내지 (6) 중 어느 하나에 있어서, 상기 제1 영역은 빗살 패턴으로 형성된 복수 개의 지지부를 포함하고, 상기 지지부는 일단이 상기 전기 전도성 부재의 제2 영역과 힌지식으로 연결되고 상기 일단을 제외한 타단이 상기 전기 전도성 부재의 제2 영역과 이격되며, 상기 지지부의 간극은 비어있는 것인 전기화학 촉매 전극을 제공한다. (7) The present invention according to any one of (4) to (6) above, wherein the first region includes a plurality of supports formed in a comb-tooth pattern, and one end of the support portion is connected to the second region of the electrically conductive member. An electrochemical catalyst electrode is provided that is connected in a hinged manner, the other end excluding the one end is spaced apart from the second region of the electrically conductive member, and the gap in the support part is empty.
(8) 본 발명은 상기 (7)에 있어서, 상기 다공성 발수 부재는 상기 복수 개의 지지부 사이에 삽입된 것인 전기화학 촉매 전극을 제공한다.(8) The present invention provides the electrochemical catalyst electrode according to (7) above, wherein the porous water-repellent member is inserted between the plurality of supports.
(9) 본 발명은 상기 (7) 또는 (8)에 있어서, 상기 지지부의 형상은 막대 형, 사다리꼴 형, 반원 형 또는 삼각 형인 것인 전기화학 촉매 전극을 제공한다.(9) The present invention provides the electrochemical catalyst electrode according to (7) or (8) above, wherein the shape of the support portion is rod-shaped, trapezoid-shaped, semi-circular or triangular.
(10) 본 발명은 상기 (1) 내지 (9) 중 어느 하나에 있어서, 상기 전기화학 촉매 전극은 애노드 촉매 전극 또는 캐소드 촉매 전극을 포함하는 것인 전기화학 촉매 전극을 제공한다.(10) The present invention provides the electrochemical catalyst electrode according to any one of (1) to (9) above, wherein the electrochemical catalyst electrode includes an anode catalyst electrode or a cathode catalyst electrode.
(11) 본 발명은 전해질, 분리막, 상기 분리막의 양 측면에 배치된 (1) 내지 (10) 중 어느 하나에 따른 전기화학 촉매 전극을 포함하는 전기화학 셀을 제공한다.(11) The present invention provides an electrochemical cell including an electrolyte, a separator, and the electrochemical catalyst electrode according to any one of (1) to (10) disposed on both sides of the separator.
(12) 본 발명은 상기 (11)에 있어서, 상기 전기화학 셀은 이산화탄소를 전기분해 하는 것인 전기화학 셀을 제공한다. (12) The present invention provides an electrochemical cell according to (11) above, wherein the electrochemical cell electrolyzes carbon dioxide.
(13) 본 발명은 상기 (11) 또는 (12)에 있어서, 상기 전기화학 셀은 일산화탄소, 에틸렌, 메탄, 개미산, 탄화수소, 알데하이드 및 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 생성하는 것인 전기화학 셀을 제공한다.(13) The present invention according to (11) or (12), wherein the electrochemical cell generates at least one selected from the group consisting of carbon monoxide, ethylene, methane, formic acid, hydrocarbons, aldehydes, and alcohols. Provides a chemical cell.
본 발명의 전기화학 촉매 전극은 전기 전도성 부재와 다공성 발수 부재를 포함하는 기체 확산층을 포함함으로써, 상기 기체 확산층이 전해액에 의해 젖는 현상을 방지할 수 있어 내구성 및 수명 특성이 우수하고, 이와 동시에 전기 전도성이 우수하여 전기화학 반응의 효율을 높일 수 있다.The electrochemical catalyst electrode of the present invention includes a gas diffusion layer including an electrically conductive member and a porous water-repellent member, thereby preventing the gas diffusion layer from being wet by the electrolyte solution, thereby providing excellent durability and lifespan characteristics, and at the same time, electrical conductivity. This is excellent and can increase the efficiency of electrochemical reaction.
도 1의 (a)는 본 발명의 전기 전도성 부재를 나타낸 것이고, (b)는 본 발명의 전기 전도성 부재에 다공성 발수 부재가 삽입되는 것을 나타낸 것이며, (c)는 상기 전기 전도성 부재와 상기 다공성 발수 부재가 결합된 기체 확산층을 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 기체 확산층의 상부면에 촉매층이 적층된 구조를 나타낸 것이다.Figure 1 (a) shows an electrically conductive member of the present invention, (b) shows a porous water-repellent member inserted into the electrically conductive member of the present invention, and (c) shows the electrically conductive member and the porous water-repellent member. It shows the gas diffusion layer in which the members are combined.
Figure 2 shows a structure in which a catalyst layer is stacked on the upper surface of the gas diffusion layer of the present invention.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이때, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to facilitate understanding of the present invention. At this time, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their usual or dictionary meanings, and the inventor appropriately defines the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be done.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terminology used herein is for the purpose of describing exemplary embodiments only and is not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise.
본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In this specification, terms such as “comprise,” “comprise,” or “have” are intended to designate the presence of implemented features, numbers, steps, components, or a combination thereof, and are intended to indicate the presence of one or more other features or It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of numbers, steps, components, or combinations thereof.
전기화학 촉매 전극electrochemical catalyst electrode
본 발명의 전기화학 촉매 전극은 기체 확산층(100) 및 상기 기체 확산층(100)의 표면 상에 적층된 촉매층(300)을 포함하고, 상기 기체 확산층(100)은 판상 구조를 갖는 전기 전도성 부재(10) 및 판상 구조를 갖는 다공성 발수 부재(20)를 포함하며, 상기 전기 전도성 부재(10)의 양 면의 각각 법선 방향으로 상기 다공성 발수 부재(20)가 외부에 노출되도록 상기 전기 전도성 부재(10)의 어느 일면에 배치된다.The electrochemical catalyst electrode of the present invention includes a gas diffusion layer 100 and a catalyst layer 300 laminated on the surface of the gas diffusion layer 100, and the gas diffusion layer 100 is an electrically conductive member 10 having a plate-shaped structure. ) and a porous water-repellent member 20 having a plate-shaped structure, wherein the porous water-repellent member 20 is exposed to the outside in the normal direction of each surface of the electrically conductive member 10. It is placed on one side of .
본 발명의 상기 기체 확산층(100)은 공급된 이산화탄소 기체를 원활하게 확산 및 분배시킴으로써 캐소드 촉매층(300)에 골고루 공급하는 역할을 할 수 있고, 상기 캐소드 촉매층(300)으로부터 생성된 생성물을 원활하게 외부로 배출하는 역할을 할 수 있다. 또한, 발수성의 기체 확산층(100)은 수분 응축을 효과적으로 방지함으로써 이산화탄소의 공급이 지속적으로 균일하게 되도록 함과 동시에 전기분해 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다. 또한, 상기 기체 확산층(100)은 표면에 기체 투과 특성이 잘 발휘되도록 다공성 구조 등의 표면을 가질 수 있다.The gas diffusion layer 100 of the present invention can serve to evenly supply the supplied carbon dioxide gas to the cathode catalyst layer 300 by smoothly diffusing and distributing the supplied carbon dioxide gas, and smoothly transport the product generated from the cathode catalyst layer 300 to the outside. It can play a role in discharging. In addition, the water-repellent gas diffusion layer 100 effectively prevents moisture condensation, thereby ensuring a continuous and uniform supply of carbon dioxide and at the same time allowing the electrolysis reaction to proceed smoothly. Additionally, the gas diffusion layer 100 may have a surface such as a porous structure to ensure good gas permeation characteristics.
한편, 종래의 기체 확산층은 전해액의 플러딩 현상으로 인하여 기체 확산층이 젖게 되는 것을 방지하기 위해 발수성이 우수한 소재를 사용하였으나, 이 경우, 상기 발수성이 우수한 소재의 일면에만 도전성이 있는 소재를 분말 형태로 도포하거나 코팅하는 형태의 기체 확산층은 상기 기체 확산층의 앞 뒤로 전자의 이동이 어려워 전기화학 반응의 효율을 향상시키는데 한계가 있었고, 전기 전도성이 열약하여 단위 셀에서 활용할 수 있었다.Meanwhile, the conventional gas diffusion layer used a material with excellent water repellency to prevent the gas diffusion layer from becoming wet due to flooding of the electrolyte. However, in this case, a conductive material was applied in powder form only to one side of the material with excellent water repellency. The gas diffusion layer in the form of a coating or coating had limitations in improving the efficiency of electrochemical reactions because it was difficult for electrons to move back and forth across the gas diffusion layer, and its electrical conductivity was poor, so it could not be used in unit cells.
도 1의 (a)는 본 발명의 전기 전도성 부재를 나타낸 것이고, (b)는 본 발명의 전기 전도성 부재에 다공성 발수 부재가 삽입되는 것을 나타낸 것이며, (c)는 상기 전기 전도성 부재와 상기 다공성 발수 부재가 결합된 기체 확산층을 나타낸 것이다.Figure 1 (a) shows an electrically conductive member of the present invention, (b) shows a porous water-repellent member inserted into the electrically conductive member of the present invention, and (c) shows the electrically conductive member and the porous water-repellent member. It shows the gas diffusion layer in which the members are combined.
도 1을 참조하면, 본 발명의 전기화학 촉매 전극에 포함되는 기체 확산층(100)은 판상 구조를 갖는 상기 전기 전도성 부재(10)의 양 면의 각각 법선 방향으로 상기 다공성 발수 부재(20)가 외부에 노출될 수 있으므로, 유체가 원활하게 확산 및 분배될 수 있어 촉매층(300)에서의 전기화학 반응이 더 활발하게 진행될 수 있다. 본 발명의 기체 확산층(100)은 상기 전기 전도성 부재(10)의 양 면을 기준으로 법선 방향으로 상기 다공성 발수 부재(20)가 외부로 노출되어 있는 구조일 수 있다. 상기 법선 방향은 일반적으로 곡선의 특정 점의 접선과 수직을 이루는 직선의 방향을 의미하는데, 본 명세서에서 법선 방향은 면의 수직 방향을 의미한다. 상기 다공성 발수 부재(20)가 외부로 노출되기 위해서는 뚫려있는 영역을 포함하는 상기 전기 전도성 부재(10)의 일 면에 상기 다공성 발수 부재(20)가 부착 또는 결합되거나, 상기 전기 전도성 부재(10)와 동일한 두께로서 상기 전기 전도성 부재(10)를 관통하여 위치할 수 있다.Referring to FIG. 1, the gas diffusion layer 100 included in the electrochemical catalyst electrode of the present invention is external to the porous water-repellent member 20 in the normal direction of each side of the electrically conductive member 10 having a plate-shaped structure. Since the fluid can be smoothly diffused and distributed, the electrochemical reaction in the catalyst layer 300 can proceed more actively. The gas diffusion layer 100 of the present invention may have a structure in which the porous water-repellent member 20 is exposed to the outside in the normal direction based on both surfaces of the electrically conductive member 10. The normal direction generally refers to the direction of a straight line perpendicular to the tangent of a specific point of the curve. In this specification, the normal direction refers to the vertical direction of the surface. In order for the porous water-repellent member 20 to be exposed to the outside, the porous water-repellent member 20 is attached or coupled to one side of the electrically conductive member 10 including an open area, or the electrically conductive member 10 It can be positioned through the electrically conductive member 10 with the same thickness.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 발수 부재(20)는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리플루오로알콕시(PFA), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리플루오로에틸렌프로필렌(PFEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 본 발명의 상기 다공성 발수 부재(20)는 발수성이 우수한 소재를 포함할 수 있다. 일 예로, 발수성이 우수한 불소 함유 수지를 포함할 수 있다. 상기 다공성 발수 부재(20)는 발수성이 우수한 소재를 포함하므로, 전해액 등에 의한 플러딩 현상에 의해 넘치는 전해액으로부터 기체 확산층(100)이 젖는 현상을 방지할 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 상기 다공성 발수 부재(20)는 내열성, 발수성 및 내약품성이 우수한 폴리테트라플루오로에틸렌일 수 있다. 상기 폴리테트라플루오로에틸렌 소재는 소수성 특성이 우수한 소재로서 본 발명에 속한 기술 및 산업 분야에서 저가에 얻을 수 있어 경제적이고 대량 생산이 가능하다.According to one embodiment of the present invention, the porous water-repellent member 20 is made of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyfluoroalkoxy (PFA), polyvinylidene fluoride (PVDF), and polyfluoroethylene propylene (PFEP). ) and polychlorotrifluoroethylene (PCTFE). The porous water-repellent member 20 of the present invention may include a material with excellent water-repellent properties. As an example, it may include a fluorine-containing resin with excellent water repellency. Since the porous water repellent member 20 includes a material with excellent water repellency, it is possible to prevent the gas diffusion layer 100 from getting wet from the electrolyte solution overflowing due to a flooding phenomenon caused by the electrolyte solution. Specifically, the porous water-repellent member 20 of the present invention may be polytetrafluoroethylene, which has excellent heat resistance, water repellency, and chemical resistance. The polytetrafluoroethylene material has excellent hydrophobic properties and can be obtained at a low price in the technology and industrial fields belonging to the present invention, making it economical and mass-produced.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기 전도성 부재(10)는 구리(Cu), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 안티모니(Sb) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 상기 전기 전도성 부재(10)는 전기 전도성이 우수한 전이금속일 수 있다. 구체적으로, 상기 전기 전도성 부재는 구리(Cu)일 수 있다. 상기 구리는 전기 전도성이 우수하며, 가공성이 우수하며 얇은 시트 형태의 구현이 가능하다는 이점이 있어, 상기 전기 전도성 부재(10)로 사용하였을 때 전기 전도도가 우수한 집전 장치를 적용한 것과 같은 우수한 전력 효과를 가질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the electrically conductive member 10 is copper (Cu), titanium (Ti), ruthenium (Ru), palladium (Pd), tin (Sn), iridium (Ir), and platinum (Pt). ), tantalum (Ta), antimony (Sb), and manganese (Mn). The electrically conductive member 10 may be a transition metal with excellent electrical conductivity. Specifically, the electrically conductive member may be copper (Cu). The copper has excellent electrical conductivity, excellent processability, and has the advantage of being able to be implemented in the form of a thin sheet, so when used as the electrically conductive member 10, it provides excellent power effects similar to applying a current collector with excellent electrical conductivity. You can have it.
도 1의 (a)는 본 발명의 전기 전도성 부재를 나타낸 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기 전도성 부재는 상기 다공성 발수 부재가 배치되는 제1 영역(11) 및 상기 제1 영역(11)을 둘러싸는 제2 영역(12)을 포함할 수 있다. 상기 제1 영역(11)은 상기 다공성 발수 부재가 결합 또는 부착되는 영역으로서, 상기 다공성 발수 부재가 배치된 후 상기 촉매층이 적층되는 영역일 수 있다. Figure 1 (a) shows an electrically conductive member of the present invention. According to an embodiment of the present invention, the electrically conductive member includes a first region 11 where the porous water-repellent member is disposed and the first region ( It may include a second area 12 surrounding 11). The first area 11 is an area where the porous water-repellent member is combined or attached, and may be an area where the catalyst layer is laminated after the porous water-repellent member is disposed.
또한, 상기 제1 영역(11)은 상기 다공성 발수 부재가 결합된 후 상기 다공성 발수 부재의 양 면의 법선 방향으로 전자가 자유롭게 이동할 수 있는 구조일 수 있다. 상기 구조를 만족하기 위해서 제1 영역(11)은 상기 다공성 발수 부재의 일 면적 부분이 외부로 노출됨과 동시에 상기 다공성 발수 부재의 양 면에 전기 전도성을 가지는 제1 영역(11)의 일 부분이 배치될 수 있다. 제1 영역(11)은 하기 설명할 바와 같이, 제2 영역으로 둘러싸인 비어있는 영역 상에 복수 개의 빗살 패턴으로 형성된 지지부(13)를 포함할 수 있다.Additionally, the first region 11 may have a structure in which electrons can freely move in the direction normal to both surfaces of the porous water-repellent member after the porous water-repellent member is combined. In order to satisfy the above structure, a portion of the first area 11 of the porous water-repellent member is exposed to the outside, and at the same time, a portion of the first region 11 having electrical conductivity is disposed on both surfaces of the porous water-repellent member. It can be. As will be described below, the first region 11 may include a support portion 13 formed in a plurality of comb-tooth patterns on an empty region surrounded by the second region.
상기 제2 영역(12)은 상기 제1 영역(11)을 둘러싸는 영역으로서, 셀을 제조하고 스택을 체결할 경우, 셀 또는 스택을 둘러싸는 테두리 또는 틀의 형상에 따라 변형될 수 있다.The second area 12 is an area surrounding the first area 11, and may be modified according to the shape of the border or frame surrounding the cell or stack when manufacturing the cell and fastening the stack.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 발수 부재의 면적은 상기 전기 전도성 부재의 제1 영역(11) 면적보다 넓은 것일 수 있고, 구체적으로, 상기 다공성 발수 부재 및 상기 전기 전도성 부재의 제1 영역의 면적 크기의 비는 1:0.1 내지 1인 것일 수 있다. 상기 제1 영역 면적은 하기 설명할 제1 영역에 포함된 복수 개의 지지부(13)의 총 면적을 의미한다. 본 발명의 기체 확산층은 상기 전기 전도성 부재의 면적을 상기 다공성 발수 부재의 면적보다 작게 조절함으로써 이산화탄소 등의 반응물 및 기타 유동 물질을 최대한 많이 통과시킬 수 있다. 따라서, 상기 다공성 발수 부재의 면적은 상기 전기 전도성 부재의 제1 영역 면적 보다 넓은 것이 바람직하며, 구체적으로, 상기 다공성 발수 부재 및 상기 전기 전도성 부재의 제1 영역의 면적 크기의 비는 1: 0.1 내지 1일 수 있고, 보다 구체적으로, 상기 전기 전도성 부재의 제1 영역의 면적 크기는 상기 다공성 발수 부재의 면적 크기 1에 대해서 0.1 이상, 0.2 이상, 0.3 이상, 0.4 이상, 0.5 이상, 1.0 이하, 0.9 이하, 0.8 이하, 0.7 이하, 0.6 이하일 수 있다. 상기 다공성 발수 부재(20) 및 상기 전지 전도성 부재의 제1 영역의 면적 크기 비인 상기 수치 범위를 만족하는 경우, 최적의 유체의 공급 및 확산이 균일하게 진행될 수 있으며, 원활한 전자의 이동이 진행될 수 있으므로, 상기 기체 확산층(100)을 포함하는 전기화학 셀의 효율을 향상시킬 수 있다. According to one embodiment of the present invention, the area of the porous water-repellent member may be larger than the area of the first region 11 of the electrically conductive member, and specifically, the area of the porous water-repellent member and the first region 11 of the electrically conductive member The ratio of area sizes may be 1:0.1 to 1. The first area area refers to the total area of the plurality of support parts 13 included in the first area, which will be described below. The gas diffusion layer of the present invention can allow reactants such as carbon dioxide and other fluid substances to pass through as much as possible by adjusting the area of the electrically conductive member to be smaller than the area of the porous water-repellent member. Therefore, it is preferable that the area of the porous water-repellent member is larger than the area of the first region of the electrically conductive member. Specifically, the ratio of the area sizes of the porous water-repellent member and the first region of the electrically conductive member is 1:0.1 to 1:0.1. It may be 1, and more specifically, the area size of the first region of the electrically conductive member is 0.1 or more, 0.2 or more, 0.3 or more, 0.4 or more, 0.5 or more, 1.0 or less, 0.9 with respect to the area size 1 of the porous water-repellent member. It may be 0.8 or less, 0.7 or less, and 0.6 or less. When the numerical range, which is the area size ratio of the porous water-repellent member 20 and the first region of the battery conductive member, is satisfied, optimal supply and diffusion of fluid can proceed uniformly, and smooth movement of electrons can proceed. , the efficiency of the electrochemical cell including the gas diffusion layer 100 can be improved.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 영역(11)은 빗살 패턴으로 형성된 복수 개의 지지부(13)를 포함하고, 상기 지지부는 일단이 상기 전기 전도성 부재의 제2 영역(12)과 힌지식으로 연결되고 상기 일단을 제외한 타단이 상기 전기 전도성 부재의 제2 영역(12)과 이격되며, 상기 지지부(13)의 간극은 비어있는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the first region 11 includes a plurality of supports 13 formed in a comb-tooth pattern, one end of which is hinged with the second region 12 of the electrically conductive member. and the other end excluding the one end is spaced apart from the second region 12 of the electrically conductive member, and the gap between the support portion 13 may be empty.
본 발명의 제1 영역(11)은 지지부(13)를 포함할 수 있고, 상기 지지부(13)는 복수 개일 수 있으며, 복수 개의 지지부(13)는 빗살 패턴으로 형성될 수 있다. 상기 빗살 패턴은 복수개의 지지부(13)가 일정한 간격 또는 불규칙한 간격으로 평행하게 또는 나선 방향으로 형성되는 것을 의미한다. 상기 지지부(13)는 상기 다공성 발수 부재(20)를 지지하는 역할을 함과 동시에, 전자 또는 유체의 이동 및 확산을 원활하게 하는 역할을 할 수 있다. The first region 11 of the present invention may include a support part 13, and the number of support parts 13 may be plural, and the plurality of support parts 13 may be formed in a comb-tooth pattern. The comb pattern means that a plurality of supports 13 are formed in parallel or in a spiral direction at regular or irregular intervals. The support portion 13 may serve to support the porous water-repellent member 20 and at the same time serve to facilitate the movement and diffusion of electrons or fluid.
상기 전기 전도성 부재(10)의 제1 영역(11)은 일단이 상기 전기 전도성 부재의 제2 영역(12)과 힌지식으로 연결되고 상기 일단을 제외한 타단이 상기 전기 전도성 부재의 제2 영역(12)과 이격된 복수 개의 지지부(13)를 포함할 수 있는데, 즉, 상기 지지부(13)는 상기 지지부의 일단이 상기 전기 전도성 부재(10)의 제2 영역과 연결되어 열리고 닫히는 구조일 수 있고, 상기 제2 영역(12)과 각을 형성할 수 있다. 상기 지지부(13)의 형상은 막대 형, 사다리꼴 형, 반원 형 또는 삼각 형일 수 있고, 구체적으로, 상기 지지부(13)의 단면은 막대 형일 수 있다. 또한, 상기 지지부(13)는 상기 전기 전도성 부재(10)와 동일한 두께의 판상 구조일 수 있다.One end of the first region 11 of the electrically conductive member 10 is hingedly connected to the second region 12 of the electrically conductive member, and the other end excluding the one end is connected to the second region 12 of the electrically conductive member. ) may include a plurality of supports 13 spaced apart from each other, that is, the support portion 13 may have a structure in which one end of the support portion is connected to the second region of the electrically conductive member 10 to open and close, An angle may be formed with the second area 12. The shape of the support part 13 may be a bar shape, a trapezoid shape, a semicircle shape, or a triangle shape. Specifically, the cross section of the support part 13 may be a bar shape. Additionally, the support portion 13 may have a plate-shaped structure with the same thickness as the electrically conductive member 10.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다공성 발수 부재는 상기 복수 개의 상기 지지부(13) 사이에 삽입된 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 복수 개의 상기 지지부는 제2 영역(12)과 힌지식으로 연결되어 있으므로, 상기 전기 전도성 부재의 양 면의 각각 법선 방향으로 제2 영역(12)과 이격되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 지지부(13)를 순차적으로 제1 지지부, 제2 지지부, 제3 지지부, … 제N 지지부로 지칭할 경우, 제1 지지부는 상기 전기 전도성 부재의 앞 방향으로 이격되어 배치된다면, 제2 지지부는 상기 전기 전도성 부재의 뒤 방향으로 반대로 이격되어 배치될 수 있고, 제3 지지부는 상기 전기 전도성 부재의 앞 방향으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 예는 지지부(13)의 이격 방향의 일 예로서, 앞, 뒤, 앞, 뒤의 순서로 이격 배치될 수도 있고, 앞, 앞, 뒤, 뒤, 앞, 앞의 순서로 이격 배치될 수 있다. 이와 같이 이격된 상기 복수 개의 지지부(13) 사이에 삽입된 후 압착하여 상기 다공성 발수 부재를 양 방향으로 지지 및 고정할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the porous water-repellent member may be inserted between the plurality of support parts 13. Specifically, since the plurality of support portions are connected to the second region 12 in a hinged manner, they may be formed to be spaced apart from the second region 12 in the normal direction of each side of the electrically conductive member. For example, the plurality of support parts 13 are sequentially formed into a first support part, a second support part, a third support part,... When referring to the N-th support portion, if the first support portion is disposed to be spaced apart in the front direction of the electrically conductive member, the second support portion may be disposed to be spaced oppositely in the rear direction of the electrically conductive member, and the third support portion may be disposed to be spaced apart in the rear direction of the electrically conductive member. It may be arranged to be spaced apart in the front direction of the electrically conductive member. The above example is an example of the spacing direction of the support portion 13, and may be arranged spaced apart in the order of front, back, front, and back, or may be arranged spaced apart in the order of front, front, back, back, front, and front. . In this way, the porous water-repellent member can be supported and fixed in both directions by being inserted between the plurality of spaced apart support parts 13 and then compressed.
본 발명의 기체 확산층(100)은 상기 전기 전도성 부재(10)와 상기 다공성 발수 부재(20)를 포함하며, 상기 다공성 발수 부재(20)가 상기 전기 전도성 부재(10)의 일면에 부착됨과 동시에 상기 다공성 발수 부재(20)의 양면이 모두 외부에 노출될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 도 1 및 상기 설명한 구조와 같이, 본 발명의 기체 확산층(100)은 상기 빗살 패턴으로 형성된 복수 개의 지지부를 포함하는 제1 영역에 상기 다공성 발수 부재가 삽입되어 배치되는 구조를 형성함으로써, 상기 지지부가 상기 다공성 발수 부재를 지지하고 있어, 구조적 안정성을 향상시킬 수 있고, 기체 확산층의 두께를 얇게 형성함과 동시에 상기 기체 확산층(100)의 앞 뒤로의 전자의 이동이 원활하며, 유체의 분배 및 확산이 균일하게 이루어질 수 있어, 전기화학 반응의 효율을 향상 시킬 수 있다. The gas diffusion layer 100 of the present invention includes the electrically conductive member 10 and the porous water-repellent member 20, and the porous water-repellent member 20 is attached to one surface of the electrically conductive member 10 and the Both sides of the porous water-repellent member 20 may have a structure that can be exposed to the outside. Specifically, as shown in FIG. 1 and the structure described above, the gas diffusion layer 100 of the present invention forms a structure in which the porous water-repellent member is inserted and disposed in a first region including a plurality of support portions formed in the comb pattern, Since the support part supports the porous water-repellent member, structural stability can be improved, the thickness of the gas diffusion layer is formed to be thin, and the movement of electrons back and forth of the gas diffusion layer 100 is smooth, and the distribution of fluid is smooth. And diffusion can be achieved uniformly, improving the efficiency of the electrochemical reaction.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기화학 촉매 전극은 애노드 촉매 전극 또는 캐소드 촉매 전극을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the electrochemical catalyst electrode may include an anode catalyst electrode or a cathode catalyst electrode.
전기화학 셀electrochemical cell
본 발명의 전기화학 셀은 애노드, 캐소드, 전해질 및 상기 캐소드와 애노드 사이에 배치된 분리막을 포함할 수 있다. 상기 분리막은 상술한 본 발명에 따른 분리막을 포함한다. 상기 애노드 및 캐소드는 각각 앞서 설명한 전기화학 촉매 전극일 수 있다.The electrochemical cell of the present invention may include an anode, a cathode, an electrolyte, and a separator disposed between the cathode and the anode. The separator includes the separator according to the present invention described above. The anode and cathode may each be the electrochemical catalyst electrode described above.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전기화학 셀은 전기화학 전환 장치에 모두 활용 가능하며, 상기 전기화학 전환 장치는 연료전지, 수전해 등의 전기화학 전환을 통해 유용한 화학물질을 생산할 수 있는 장치 및 이산화탄소 및 NOx 저감 및 전환에 활용될 수 있는 장치를 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 전기화학 셀은 이산화탄소를 일산화탄소 및 에틸렌으로 전환하는 전기분해 장치에 포함되는 전기화학 셀일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the electrochemical cell can be used in all electrochemical conversion devices, and the electrochemical conversion device is a device that can produce useful chemicals through electrochemical conversion such as fuel cells and water electrolysis. And it may include devices that can be utilized for carbon dioxide and NOx reduction and conversion. Specifically, the electrochemical cell may be an electrochemical cell included in an electrolysis device that converts carbon dioxide into carbon monoxide and ethylene.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기화학 셀은 이산화탄소를 투입하여 일산화탄소로 변환시키는 셀일 수 있고, 애노드, 캐소드, 전해질 및 분리막을 포함할 수 있다. 전기분해는 자발적으로 발생하지 않는 분해반응을 직류 전압을 가하여 산화환원 반응을 통해 물질을 분해하는 것을 의미한다. 상기 애노드는 산화 전극으로서 물을 산화시켜 산소를 발생시키며, 이때 수소이온이 생성된다. 상기 애노드에서 생성된 수소 이온은 상기 전해질을 통해 상기 캐소드로 전달되고, 상기 캐소드는 환원 전극으로서 상기 캐소드로 투입된 반응물이 상기 애노드로부터 이동된 전자 및 수소이온과 반응하여 생성물을 생성할 수 있다. 또한, 상기 분리막은 상기 애노드 및 캐소드 사이에 배치될 수 있다. 상기 분리막은 그 자체로는 전기화학 반응에 참여하지 않는 비활성 소재로 구성될 수 있으나, 애노드 및 캐소드 사이에서 이온이 이동할 수 있는 경로를 제공하며, 상기 애노드와 상기 캐소드의 물리적 접촉을 분리하는 역할을 할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the electrochemical cell may be a cell that converts carbon dioxide into carbon monoxide, and may include an anode, a cathode, an electrolyte, and a separator. Electrolysis means decomposing a substance through a redox reaction by applying a direct current voltage to a decomposition reaction that does not occur spontaneously. The anode serves as an oxidizing electrode and oxidizes water to generate oxygen, and at this time, hydrogen ions are generated. Hydrogen ions generated at the anode are transferred to the cathode through the electrolyte, and the cathode is a cathode, and reactants introduced into the cathode react with electrons and hydrogen ions transferred from the anode to produce a product. Additionally, the separator may be disposed between the anode and the cathode. The separator may itself be composed of an inert material that does not participate in electrochemical reactions, but provides a path for ions to move between the anode and the cathode and serves to separate physical contact between the anode and the cathode. can do.
또한, 본 발명의 전기화학 셀의 상기 애노드와 상기 캐소드는 각각 촉매층을 포함할 수 있다. 또한, 상기 캐소드 영역 내에서 이산화탄소와 함께 공급된 수증기는 캐소드 표면에서 전기환원반응에 의해 환원 생성물을 발생시킨다. 따라서, 상기 캐소드는 상기 캐소드 영역 측에 가습된 이산화탄소 기체를 골고루 공급하기 위해, 기체 확산층을 포함할 수 있다. 상기 기체 확산층은 앞서 설명한 본 발명의 기체 확산층일 수 있다. 상기 캐소드가 상기 기체 확산층을 포함하는 경우, 공급된 이산화탄소를 상기 캐소드의 촉매층까지 원활하게 확산, 분배, 공급할 수 있다. 또한, 상기 기체 확산층은 수분 응축을 효과적으로 방지함으로써 이산화탄소의 공급이 지속적으로 균일하게 되도록 함과 동시에 전기분해 반응이 원활하게 진행될 수 있도록 한다. 또한, 상기 촉매층은 표면에 기체 투과 특성이 잘 발휘되도록 다공성 구조 등의 표면을 가질 수 있다.Additionally, the anode and cathode of the electrochemical cell of the present invention may each include a catalyst layer. Additionally, water vapor supplied together with carbon dioxide within the cathode region generates reduction products through an electroreduction reaction on the cathode surface. Accordingly, the cathode may include a gas diffusion layer to evenly supply humidified carbon dioxide gas to the cathode area. The gas diffusion layer may be the gas diffusion layer of the present invention described above. When the cathode includes the gas diffusion layer, the supplied carbon dioxide can be smoothly diffused, distributed, and supplied to the catalyst layer of the cathode. In addition, the gas diffusion layer effectively prevents moisture condensation, thereby ensuring a continuous and uniform supply of carbon dioxide and at the same time allowing the electrolysis reaction to proceed smoothly. Additionally, the catalyst layer may have a surface such as a porous structure so that the surface exhibits good gas permeation characteristics.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 애노드는 물의 전기분해에 활성을 가지는 촉매를 포함할 수 있고, 상기 애노드의 촉매층은 산소 발생 반응을 위해 Pt, Au, Pd, Ir, Ag, Rh, Ru, Ni, Al, Mo, Cr, Cu, Ti, W, 이들의 합금, 또는 혼합 금속 산화물, 예를 들어 Ta205, Ir02 등으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 본 발명의 이산화탄소 전기분해 장치에서의 상기 애노드는 이리듐 산화물(IrO2)으로 코팅된 티타늄(Ti)을 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the anode may include a catalyst active in the electrolysis of water, and the catalyst layer of the anode may include Pt, Au, Pd, Ir, Ag, Rh, Ru, It may include one or more types selected from the group consisting of Ni, Al, Mo, Cr, Cu, Ti, W, alloys thereof, or mixed metal oxides, for example, Ta 2 0 5 , Ir0 2 , etc. Specifically, the anode in the carbon dioxide electrolysis device of the present invention may include titanium (Ti) coated with iridium oxide (IrO 2 ).
또한, 상기 캐소드에서 발생하는 이산화탄소 환원 반응은 수소 발생 반응과 경쟁하기 때문에, 수소 발생 반응에 요구되는 전압이 크면서 이산화탄소 환원 반응에 활성을 보이는 촉매를 포함할 수 있다. 상기 캐소드의 촉매층은 수소 발생 반응을 위해 Sn, Sn 합금, Al, Au, Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu, Cu 합금, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, NiCo2O4, Ni 합금, Ni-Fe 합금, Pb, Rh, Ti, V, W, Zn 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로 본 발명의 이산화탄소 전기분해 장치에서의 상기 캐소드는 은(Ag)을 포함할 수 있다.In addition, since the carbon dioxide reduction reaction occurring at the cathode competes with the hydrogen generation reaction, the voltage required for the hydrogen generation reaction is high and a catalyst active in the carbon dioxide reduction reaction may be included. The catalyst layer of the cathode is Sn, Sn alloy, Al, Au, Ag, C, Cd, Co, Cr, Cu, Cu alloy, Ga, Hg, In, Mo, Nb, Ni, NiCo 2 O 4 for hydrogen generation reaction. , Ni alloy, Ni-Fe alloy, Pb, Rh, Ti, V, W, Zn, and mixtures thereof. Specifically, the cathode in the carbon dioxide electrolysis device of the present invention may contain silver (Ag).
또한, 상기 분리막으로는 양이온 교환막(CEM, cation exchange membrane)이나 음이온 교환막(AEM, anion exchange membrane)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 양이온 교환막의 경우 촉매 작용에 의하여 캐소드에서 생성된 환원 물질이 애노드로 이동하여 산화하지 않도록 하는 결기막 역할을 할 수 있으며, 음이온의 투과를 억제하며 수소이온(H+)과 같은 양이온이 투과 가능한 분리상(分離像)일 수 있다. 또한, 상기 애노드에서 물을 산화시켜 수소이온(H+)이 발생하게 되고, 상기 수소이온이 과량으로 캐소드로 넘어가 이산화탄소가 전환되는 촉매의 활성 부위를 포화시켜 이산화탄소의 전환율을 감소시키는 문제점이 발생할 수 있다. 이 때, 상기 음이온 교환막은 캐소드로 넘어가는 상기 수소이온의 양을 감소시킬 수 있다. 상기 음이온 교환막은 수소이온의 이동을 막음으로써, 캐소드의 이산화탄소 전환 성능이 저해되는 것을 방지할 수 있고, OH-, HCO3 -, CO3 2- 과 같은 음이온이 투과 가능한 분리상을 의미할 수 있다.Additionally, the separation membrane may include a cation exchange membrane (CEM) or an anion exchange membrane (AEM). Specifically, in the case of the cation exchange membrane, it can serve as a condensation membrane that prevents reducing substances generated at the cathode by catalysis from moving to the anode and being oxidized, suppressing the penetration of anions, and preventing cations such as hydrogen ions (H+) from being absorbed. It may be a transparent separated image. In addition, water is oxidized at the anode to generate hydrogen ions (H + ), and the hydrogen ions may pass to the cathode in excess and saturate the active site of the catalyst where carbon dioxide is converted, thereby reducing the conversion rate of carbon dioxide. there is. At this time, the anion exchange membrane can reduce the amount of hydrogen ions passing to the cathode. The anion exchange membrane can prevent the carbon dioxide conversion performance of the cathode from being impaired by preventing the movement of hydrogen ions, and may refer to a separation phase through which anions such as OH - , HCO 3 - , and CO 3 2- are permeable. .
또한, 상기 전해질은 KHCO3, K2CO3, KOH, KCl, KClO4, K2SiO3, Na2SO4, NaNO3, NaCl, NaF, NaClO4, CaCl2, Cs2CO3, H3PO4, KHPO4, 구아니디늄 양이온, H+ 양이온, 알칼리 금속 양이온, 암모늄 양이온, 알킬암모늄 양이온, 할라이드 이온, 알킬 아민, 보레이트, 카본에이트, 구아니디늄 유도체, 나이트라이트, 나이트레이트, 포스페이트, 폴리포스페이트, 퍼클로레이트, 실리케이트, 설페이트, 테트라알킬 암모늄염, 또는 이들의 혼합물을 함유하는 수용액으로 이루어진 군 중에서 선택되는 1종 이상의 전해질을 사용할 수 있고, 구체적으로, 본 발명의 이산화탄소 전기분해 전기화학 셀의 전해질은 KOH, KHCO3, Cs2CO3, H3PO4, 또는 H3PO4 및 KHPO4의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 함유하는 수용액을 포함할 수 있다.In addition, the electrolyte is KHCO 3 , K 2 CO 3 , KOH, KCl, KClO 4 , K 2 SiO 3 , Na 2 SO 4 , NaNO 3 , NaCl, NaF, NaClO 4 , CaCl 2 , Cs 2 CO 3 , H 3 PO 4 , KHPO 4 , guanidinium cation, H + cation, alkali metal cation, ammonium cation, alkylammonium cation, halide ion, alkyl amine, borate, carbonate, guanidinium derivative, nitrite, nitrate, One or more electrolytes selected from the group consisting of phosphate, polyphosphate, perchlorate, silicate, sulfate, tetraalkyl ammonium salt, or an aqueous solution containing a mixture thereof can be used, and specifically, the carbon dioxide electrolysis electrochemical cell of the present invention The electrolyte may include an aqueous solution containing at least one selected from the group consisting of KOH, KHCO 3 , Cs 2 CO 3 , H 3 PO 4 , or a mixture of H 3 PO 4 and KHPO 4 .
또한, 상기 기체 확산층은 탄소섬유 천, 탄소섬유 펠트, 탄소섬유 종이 등 탄소 소재를 사용한 다공체나, 익스팬디드 메탈(Expanded Metal), 금속 메시(Metal Mesh) 등과 같은 그물 구조의 얇은 금속판으로 이루어진 금속 다공체를 사용할 수 있고, 본 발명의 이산화탄소 전기분해 장치에서 상기 기체 확산층은 탄소섬유 천을 사용할 수 있다.In addition, the gas diffusion layer is made of a porous material made of carbon materials such as carbon fiber cloth, carbon fiber felt, and carbon fiber paper, or a thin metal plate with a network structure such as expanded metal or metal mesh. A porous material can be used, and in the carbon dioxide electrolysis device of the present invention, the gas diffusion layer can be a carbon fiber cloth.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기화학 셀은 전기화학 전환 장치에 모두 활용 가능하며 특히 이산화탄소를 전기화학적 분해하여 원하는 생성물을 얻을 수 있으며, 구체적으로, 상기 전기화학 셀은 이산화탄소를 전기분해하여 일산화탄소, 에틸렌, 메탄, 개미산, 탄화수소, 알데하이드 및 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 생성할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the electrochemical cell can be used in all electrochemical conversion devices, and in particular, a desired product can be obtained by electrochemically decomposing carbon dioxide. Specifically, the electrochemical cell electrolyzes carbon dioxide. It can produce one or more species selected from the group consisting of carbon monoxide, ethylene, methane, formic acid, hydrocarbons, aldehydes, and alcohols.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대해서 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement it. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
10: 전기 전도성 부재
11: 제1 영역
12: 제2 영역
13: 지지부
20: 다공성 발수 부재
100: 기제 확산층
300: 촉매층10: Electrically conductive member
11: first region
12: Second area
13: support part
20: Porous water-repellent member
100: base diffusion layer
300: catalyst layer
Claims (13)
상기 기체 확산층의 표면 상에 적층된 촉매층을 포함하고,
상기 기체 확산층은 판상 구조를 갖는 전기 전도성 부재; 및 판상 구조를 갖는 다공성 발수 부재를 포함하며,
상기 다공성 발수 부재는 상기 전기 전도성 부재의 양 면의 각각 법선 방향으로 상기 다공성 발수 부재가 외부에 노출되도록 상기 전기 전도성 부재의 어느 일면에 배치된 것인 전기화학 촉매 전극.
gas diffusion layer; and
It includes a catalyst layer laminated on the surface of the gas diffusion layer,
The gas diffusion layer includes an electrically conductive member having a plate-shaped structure; And a porous water-repellent member having a plate-like structure,
An electrochemical catalyst electrode, wherein the porous water-repellent member is disposed on one side of the electrically conductive member so that the porous water-repellent member is exposed to the outside in a direction normal to both surfaces of the electrically conductive member.
상기 다공성 발수 부재는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리플루오로알콕시(PFA), 폴리비닐리덴플루오라이드(PVDF), 폴리플루오로에틸렌프로필렌(PFEP), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전기화학 촉매 전극.
In claim 1,
The porous water-repellent member is made of polytetrafluoroethylene (PTFE), polyfluoroalkoxy (PFA), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyfluoroethylene propylene (PFEP), and polychlorotrifluoroethylene (PCTFE). An electrochemical catalyst electrode comprising at least one member selected from the group consisting of:
상기 전기 전도성 부재는 구리(Cu), 티타늄(Ti), 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 주석(Sn), 이리듐(Ir), 백금(Pt), 탄탈럼(Ta), 안티모니(Sb) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 전기화학 촉매 전극.
In claim 1,
The electrically conductive member is copper (Cu), titanium (Ti), ruthenium (Ru), palladium (Pd), tin (Sn), iridium (Ir), platinum (Pt), tantalum (Ta), and antimony (Sb). ) and manganese (Mn). An electrochemical catalyst electrode comprising at least one selected from the group consisting of.
상기 전기 전도성 부재는 상기 다공성 발수 부재가 배치되는 제1 영역 및 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역을 포함하는 것인 전기화학 촉매 전극.
In claim 1,
The electrochemical catalyst electrode wherein the electrically conductive member includes a first region where the porous water-repellent member is disposed and a second region surrounding the first region.
상기 다공성 발수 부재의 면적은 상기 전기 전도성 부재의 제1 영역 면적보다 넓은 것인 전기화학 촉매 전극.
In claim 4,
An electrochemical catalyst electrode wherein the area of the porous water-repellent member is larger than the area of the first region of the electrically conductive member.
상기 다공성 발수 부재 및 상기 전기 전도성 부재의 제1 영역의 면적 크기의 비는 1:0.1 내지 1인 것인 전기화학 촉매 전극.
In claim 4,
An electrochemical catalyst electrode, wherein the ratio of the area sizes of the porous water-repellent member and the first region of the electrically conductive member is 1:0.1 to 1.
상기 제1 영역은 빗살 패턴으로 형성된 복수 개의 지지부를 포함하고, 상기 지지부는 일단이 상기 전기 전도성 부재의 제2 영역과 힌지식으로 연결되고 상기 일단을 제외한 타단이 상기 전기 전도성 부재의 제2 영역과 이격되며, 상기 지지부의 간극은 비어있는 것인 전기화학 촉매 전극.
In claim 4,
The first region includes a plurality of supports formed in a comb-tooth pattern, one end of which is hingedly connected to the second region of the electrically conductive member, and the other end excluding the one end is connected to the second region of the electrically conductive member. Electrochemical catalyst electrodes are spaced apart, and the gap between the supports is empty.
상기 다공성 발수 부재는 상기 복수 개의 지지부 사이에 삽입된 것인 전기화학 촉매 전극.
In claim 7,
The porous water-repellent member is an electrochemical catalyst electrode inserted between the plurality of supports.
상기 지지부의 형상은 막대 형, 사다리꼴 형, 반원 형 또는 삼각 형인 것인 전기화학 촉매 전극.
In claim 7,
An electrochemical catalyst electrode in which the shape of the support part is rod-shaped, trapezoid-shaped, semi-circular-shaped or triangular-shaped.
상기 전기화학 촉매 전극은 애노드 촉매 전극 또는 캐소드 촉매 전극을 포함하는 것인 전기화학 촉매 전극.
In claim 1,
The electrochemical catalyst electrode is an electrochemical catalyst electrode including an anode catalyst electrode or a cathode catalyst electrode.
electrolyte; separation membrane; An electrochemical cell comprising the electrochemical catalyst electrode according to any one of claims 1 to 10 disposed on both sides of the separator.
상기 전기화학 셀은 이산화탄소를 전기분해 하는 것인 전기화학 셀.
In claim 11,
The electrochemical cell is an electrochemical cell that electrolyzes carbon dioxide.
상기 전기화학 셀은 일산화탄소, 에틸렌, 메탄, 개미산, 탄화수소, 알데하이드 및 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 생성하는 것인 전기화학 셀.
In claim 11,
The electrochemical cell is an electrochemical cell that generates one or more species selected from the group consisting of carbon monoxide, ethylene, methane, formic acid, hydrocarbons, aldehydes, and alcohols.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220115313A KR20240036814A (en) | 2022-09-14 | 2022-09-14 | Electrochemical catalyst electrode and electrochemical cell comprising same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220115313A KR20240036814A (en) | 2022-09-14 | 2022-09-14 | Electrochemical catalyst electrode and electrochemical cell comprising same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240036814A true KR20240036814A (en) | 2024-03-21 |
Family
ID=90472661
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220115313A KR20240036814A (en) | 2022-09-14 | 2022-09-14 | Electrochemical catalyst electrode and electrochemical cell comprising same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240036814A (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101738590B1 (en) | 2015-07-14 | 2017-06-09 | 한국에너지기술연구원 | Method and device for preparing reduction product of carbon dioxide from electroreduction of carbon dioxide |
-
2022
- 2022-09-14 KR KR1020220115313A patent/KR20240036814A/en active Search and Examination
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101738590B1 (en) | 2015-07-14 | 2017-06-09 | 한국에너지기술연구원 | Method and device for preparing reduction product of carbon dioxide from electroreduction of carbon dioxide |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20200208278A1 (en) | Electrolyzer for gaseous carbon dioxide | |
| US8361288B2 (en) | Compositions, electrodes, methods, and systems for water electrolysis and other electrochemical techniques | |
| US20170226647A1 (en) | A device and method for the production of hydrogen peroxide | |
| KR102200474B1 (en) | Bifunctional electrocatalyst for water electrolysis with high oxygen vacancy and nanoporous structure, a manufacturing method thereof, and battery for water electrolysis including the electrocatalyst | |
| JP7198238B2 (en) | Electrode catalyst layer for carbon dioxide electrolysis cell, and electrolysis cell and electrolysis device for carbon dioxide electrolysis comprising the same | |
| US20140038078A1 (en) | Shape controlled core-shell catalysts | |
| JP2020132965A (en) | Electrode catalyst layer for carbon dioxide electrolysis cell, and electrolysis cell and electrolysis device having same | |
| JP2002100373A (en) | Manufacturing method of catalyzed porous carbon electrode for fuel cell | |
| KR20110073382A (en) | Permselective membrane-free direct fuel cell and components thereof | |
| Narayan et al. | Bi-functional oxygen electrodes–challenges and prospects | |
| JP7413304B2 (en) | carbon dioxide electrolyzer | |
| KR102237529B1 (en) | Bifunctional electrocatalyst for water electrolysis with high oxygen vacancy and nanoporous structure, a manufacturing method thereof, and battery for water electrolysis including the electrocatalyst | |
| Lim et al. | Polymer electrolyte membrane unitized regenerative fuel cells: Operational considerations for achieving high round trip efficiency at low catalyst loading | |
| He et al. | Advances in electrolyzer design and development for electrochemical CO2 reduction | |
| US20090004550A1 (en) | In situ fabricated electrochemical device | |
| KR20240036814A (en) | Electrochemical catalyst electrode and electrochemical cell comprising same | |
| JP2006244721A (en) | Fuel cell and its manufacturing method | |
| Ciriminna et al. | Enhanced nickel catalysts for producing electrolytic hydrogen | |
| KR20240049164A (en) | Electrolysis apparatus and method of opreating the same | |
| US11965254B2 (en) | Manufacturing apparatus and manufacturing method for synthetic gas with controlled H2/CO ratio | |
| KR20240018056A (en) | Operating method of electrolysis apparatus | |
| Abahussain | Electrochemical engineering aspects of a direct borohydride fuel cell | |
| JP7176026B2 (en) | electrochemical reactor | |
| KR102386012B1 (en) | Self-driving electrochemical cell | |
| Vesztergom et al. | Eliminating Flooding-related Issues in Electrochemical CO₂-to-CO Converters: Two Lines of Defense. |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination |