JP2019206755A - Separation plate integrated with electrode for use in water electrolysis, and water electrolysis stack - Google Patents

Separation plate integrated with electrode for use in water electrolysis, and water electrolysis stack Download PDF

Info

Publication number
JP2019206755A
JP2019206755A JP2019098533A JP2019098533A JP2019206755A JP 2019206755 A JP2019206755 A JP 2019206755A JP 2019098533 A JP2019098533 A JP 2019098533A JP 2019098533 A JP2019098533 A JP 2019098533A JP 2019206755 A JP2019206755 A JP 2019206755A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
water electrolysis
electrode
anode
cathode
nickel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2019098533A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6956144B2 (en
Inventor
ソク チョ,ヒョン
Hyun Seok Ku
ソク チョ,ヒョン
キム,チャン−ヒ
Chang Hee Kim
チョ,ウォン−チョル
Won Chul Cho
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Institute of Energy Research KIER
Original Assignee
Korea Institute of Energy Research KIER
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Korea Institute of Energy Research KIER filed Critical Korea Institute of Energy Research KIER
Publication of JP2019206755A publication Critical patent/JP2019206755A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6956144B2 publication Critical patent/JP6956144B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01Products
    • C25B1/02Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/04Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by the material
    • C25B11/042Electrodes formed of a single material
    • C25B11/046Alloys
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00Operating or servicing cells
    • C25B15/08Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/36Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Abstract

To provide a separation plate to be applied to a water electrolysis stack.SOLUTION: There is provided a separation plate integrated with an electrode(s) for use in water electrolysis, comprising a plate-shaped conductive member, flow path sections formed on one face or both faces of the conductive member, and a reaction section(s) having an electrode layer formed in an area of the conductive member excluding the flow path sections formed on the one face or both faces thereof.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、水電解スタックに適用される分離板に係り、さらに詳細には、水電解システムにおける電極、気液拡散層、電解液供給及び集電体の機能を備える複合電極分離板に関する。   The present invention relates to a separator applied to a water electrolysis stack, and more particularly to a composite electrode separator having functions of an electrode, a gas-liquid diffusion layer, an electrolyte supply, and a current collector in a water electrolysis system.

水素製造技術分野の中でも、アルカリ水電解は、アルカリ性電解質(KOH)を電気化学反応によって水素と酸素を生産し、塩水(NaCl)の電解を用いて苛性ソーダ(NaOH)を製造するクロロ−アルカリ工程(Chloro−alkali process)と似ている。   Among the hydrogen production technologies, alkaline water electrolysis is a chloro-alkali process in which alkaline electrolyte (KOH) produces hydrogen and oxygen by electrochemical reaction, and salt water (NaCl) is used to produce caustic soda (NaOH) ( Similar to Chloro-alkali process).

水電解技術の中でも、アルカリ水電解は、苛性ソーダ工程を中心に技術が発展してきたが、ギャップ(gap)型セル構造をベースに産業が構築された後には、ゼロギャップ(zero−gap)技術への技術発展以外には大きい研究開発が進められていない。ゼロギャップ技術にはフォーム電極が使用されるため気液拡散の負担が少なくて、分離板には、セル間気体遮断及び集電などの用途以外には他の機能が要求されない。   Among water electrolysis technologies, alkaline water electrolysis has been developed mainly in the caustic soda process, but after the industry was built based on a gap-type cell structure, the zero-gap technology was developed. No major research and development has been promoted other than the technological development of The zero-gap technology uses a foam electrode, so that the burden of gas-liquid diffusion is small, and the separator plate is not required to have other functions other than uses such as gas blocking between cells and current collection.

水電解システムは、水素を生産するスタック(stack)、水またはアルカリ性電解質溶液を適正の条件で供給し、電力を制御及び管理する運転装置(Balance of Plant)、気液分離器及び水素貯蔵タンク(Hydrogen tank)などで構成される。   The water electrolysis system is a stack for producing hydrogen, supplying water or an alkaline electrolyte solution under appropriate conditions, and controlling and managing electric power (Balance of Plant), a gas-liquid separator, and a hydrogen storage tank ( (Hydrogen tank).

従来の水電解スタックは、図1に示すように、エンドプレート、集電板、ガスケット(gasket)、メッシュ型拡散層、電極、分離膜、分離膜固定リング及びセルフレームを対称的に順次結合した単一セルを設計し、セルを所望の数だけ積層してスタックを構成した。図1に示すように、ゼロギャップ型(zero−gap type)は、電極板を電解質に一定間隔を置いて設計したパラレル型(parallel type)の問題点を克服するために、2つの多孔性電極板(例えば、Mesh、Foam、Lathなど)と分離膜との間隔を置かないことでセル抵抗を減らす構造であり、電極の表面から発生した水素及び酸素ガスは、多孔性電極体を介して内部から外部へ排出される。電極と分離膜間の間隔がないため、電解質抵抗を減らしてより運転電流密度を高めることができるという利点がある。   As shown in FIG. 1, the conventional water electrolysis stack has an end plate, a current collector plate, a gasket, a mesh type diffusion layer, an electrode, a separation membrane, a separation membrane fixing ring, and a cell frame that are sequentially coupled in a symmetrical manner. A single cell was designed and a stack was constructed by stacking the desired number of cells. As shown in FIG. 1, the zero-gap type has two porous electrodes in order to overcome the problem of a parallel type in which an electrode plate is designed to be spaced apart from an electrolyte. It is a structure that reduces cell resistance by leaving no gap between the plate (for example, Mesh, Foam, Lath, etc.) and the separation membrane, and hydrogen and oxygen gas generated from the surface of the electrode is passed through the porous electrode body. Is discharged to the outside. Since there is no space between the electrode and the separation membrane, there is an advantage that the operating current density can be increased by reducing the electrolyte resistance.

ただし、メッシュまたはフォーム状の多孔性電極の適用は、分離板または集電板との接触抵抗の増加を誘導することができるとともに、多孔性電極と直接接触する分離膜の高い機械的剛性を要求する。また、水素と酸素とのガス混合(水素ガスと酸素ガスとが混合されて酸素ガス内の水素の濃度が4%以上であるとき、爆発の危険性が存在する)現象にさらに劣悪な環境である。数十乃至数百枚のセルを積む場合、多くの部品間の段差なしに正確に一致させることに困難さがあって組立生産性が低下し、かつ、スタック構成部品数の増加が体積の増加を引き起こして水素生産密度が低下し、電気的接触抵抗の増加に繋がって水電解スタックの消費電力効率が低下する。さらには、スタック及びシステムの価格増加につながる。   However, the application of a porous electrode in the form of a mesh or foam can induce an increase in contact resistance with the separation plate or current collector plate, and requires high mechanical rigidity of the separation membrane in direct contact with the porous electrode. To do. In an environment that is even worse than the phenomenon of gas mixture of hydrogen and oxygen (there is a danger of explosion when hydrogen gas and oxygen gas are mixed and the concentration of hydrogen in oxygen gas is 4% or more) is there. When stacking tens to hundreds of cells, it is difficult to accurately match without steps between many parts, which reduces assembly productivity, and an increase in the number of stack components increases volume. As a result, the hydrogen production density is lowered, leading to an increase in electrical contact resistance, and the power consumption efficiency of the water electrolysis stack is lowered. Furthermore, this leads to an increase in stack and system prices.

一方、相対的に分離板の機能が重要なPEM水電解技術は、膜電極接合体技術の適用時に電解質の適切な浸透及び生成された気体の排出のためには、多孔性ガス拡散体と分離板が重要である。PEMでは、燃料及び生成物の1)効率的物質伝達と2)分離板−ガス拡散体−電極間の電気接触抵抗を減らすことが重要であるため、分離板内の流路加工以外に電極層を形成させるエッチング作業などを考慮しなかった。間隔が生じると、電気伝導度だけでなく、イオン伝導度の抵抗もやはり増加して性能低下につながる。また、分離板には、前面部に流路が形成されているため(電極活性面積に電解質が均一に供給)、エッチングによる反応部形成なしでは電極を流路上に直接コーティング成形することが難しい。直接コーティングの際に分離板と電極との間隙がないため電極表面への気体発生時に機械的抵抗を発生させることがあり、電気的接触抵抗が大きくなることがある。膜電極接合体構造のセルには、薄くて平らな分離板以外には適さない。   On the other hand, the PEM water electrolysis technology, whose function of the separator plate is relatively important, is separated from the porous gas diffuser for proper permeation of the electrolyte and discharge of the generated gas when the membrane electrode assembly technology is applied. The board is important. In PEM, it is important to reduce the electrical contact resistance between 1) efficient mass transfer of fuel and products and 2) separation plate-gas diffuser-electrode. The etching operation for forming the film was not considered. When the interval is generated, not only the electrical conductivity but also the resistance of the ionic conductivity is increased, leading to performance degradation. Further, since a flow path is formed on the front surface of the separator plate (electrolyte is uniformly supplied to the electrode active area), it is difficult to directly coat and form the electrode on the flow path without forming a reaction part by etching. Since there is no gap between the separation plate and the electrode during direct coating, mechanical resistance may be generated when gas is generated on the electrode surface, and electrical contact resistance may increase. It is not suitable for a cell having a membrane electrode assembly structure other than a thin and flat separator.

韓国登録特許公報第10−0405163号Korean Registered Patent Publication No. 10-0405163

本発明の目的は、従来技術の問題点を解決するために、電極、気液拡散層、分離板、集電板の複数の構成部品を、一つの構成に統合された単位部品として提供することにある。   An object of the present invention is to provide a plurality of constituent parts of an electrode, a gas-liquid diffusion layer, a separation plate, and a current collector plate as unit parts integrated into one configuration in order to solve the problems of the prior art. It is in.

上記の目的を達成するために、本発明は、板(plate)状の伝導性部材と、前記伝導性部材の一面または両面に形成される流路部と、前記一面または両面に形成された流路部を除く領域に電極層が形成された反応部とを含む、水電解用複合電極一体型分離板を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a plate-like conductive member, a flow path formed on one or both surfaces of the conductive member, and a flow formed on the one or both surfaces. Provided is a composite electrode-integrated separator for water electrolysis that includes a reaction part in which an electrode layer is formed in a region excluding a path part.

前記流路部は、前記伝導性部材の表面から1mm以下の深さに形成されてもよい。   The channel portion may be formed to a depth of 1 mm or less from the surface of the conductive member.

前記電極層は、ニッケル(Ni)、Ni−Zn、Ni−Zn−P、Ni−Fe−Zn、Ni−Fe−Zn−P、及びニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))よりなる群から選択される少なくとも一つであり、より詳細には、前記電極層において、陽極(anode)は、Ni、Ni−Fe−Zn、Ni−Fe−Zn−Pまたはニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))であり、陰極(cathode)は、Ni、Ni−ZnまたはNi−Zn−Pであってもよい。 The electrode layers include nickel (Ni), Ni—Zn, Ni—Zn—P, Ni—Fe—Zn, Ni—Fe—Zn—P, and nickel-iron hydroxide ((Ni, Fe) (OH). 2 ) at least one selected from the group consisting of, and more specifically, in the electrode layer, the anode is Ni, Ni-Fe-Zn, Ni-Fe-Zn-P or nickel-iron It is a hydroxide ((Ni, Fe) (OH) 2 ), and the cathode may be Ni, Ni—Zn or Ni—Zn—P.

前記電極層は、比表面積が5乃至100m/gであり、気孔サイズが0.03乃至10μmであってもよい。 The electrode layer may have a specific surface area of 5 to 100 m 2 / g and a pore size of 0.03 to 10 μm.

前記電極層は、垂直配向の多孔性構造であってもよい。   The electrode layer may have a vertically oriented porous structure.

また、本発明は、前記水電解用複合電極一体型分離板とメンブレインで構成された単位セルを1つまたは2つ以上含む、水電解スタックを提供する。   The present invention also provides a water electrolysis stack including one or two or more unit cells each composed of the above-described composite electrode integrated separator for water electrolysis and a membrane.

上述したような本発明によれば、流路が形成された分離板に対して電極を直接形成させた水電解複合電極一体型分離板を水電解スタックに適用することにより、高効率(70乃至90%)の高電流(0.6乃至1.0A/cm)運転を可能にするという効果がある。 According to the present invention as described above, a water electrolysis composite electrode integrated separator plate in which electrodes are directly formed on a separator plate in which a flow path is formed is applied to a water electrolysis stack, thereby achieving high efficiency (70 to 70). 90%) of high current (0.6 to 1.0 A / cm 2 ) operation is possible.

また、高効率の高電流運転が可能なので、スタック及びシステムの体積を減少させることができるという効果がある。   In addition, since a high-efficiency high-current operation is possible, the volume of the stack and the system can be reduced.

また、複合電極分離板が電極、気液拡散層、分離板及び集電体の機能を行うことにより、水電解スタックに適用される部品数を減少させ、これにより水電解スタックの組み立てを簡素化させるという効果がある。   In addition, the composite electrode separator functions as an electrode, gas-liquid diffusion layer, separator and collector, thereby reducing the number of components applied to the water electrolysis stack, thereby simplifying the assembly of the water electrolysis stack. There is an effect of making it.

従来の水電解スタックの構成図である。It is a block diagram of the conventional water electrolysis stack. 本発明の一態様による両面に陽極(anode)と陰極(cathode)が形成された水電解用複合電極一体型分離板の正面図(上側イメージ)と側面図(下側イメージ)である。FIG. 2 is a front view (upper image) and a side view (lower image) of a composite electrode integrated separator for water electrolysis in which an anode and a cathode are formed on both sides according to an embodiment of the present invention. 本発明の一態様による一面にのみ陽極(anode)または陰極(cathode)が形成された水電解用複合電極一体型分離板の正面図(上側イメージ)と側面図(下側イメージ)である。1 is a front view (upper image) and a side view (lower image) of a composite electrode integrated separator for water electrolysis in which an anode or a cathode is formed only on one surface according to an embodiment of the present invention. 本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板が適用された水電解スタックの一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the water electrolysis stack to which the composite electrode integrated separator for water electrolysis according to one aspect of the present invention is applied. 本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板の陰極(Ni−Zn)における、メッキ後のZnの選択的浸出前後のXRD構造分析を示す図である。It is a figure which shows the XRD structure analysis before and behind selective leaching of Zn after plating in the cathode (Ni-Zn) of the composite electrode integrated separator for water electrolysis according to one embodiment of the present invention. 本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板の陰極(Ni−Zn)表面のSEM顕微鏡イメージを示す図である。It is a figure which shows the SEM microscope image of the cathode (Ni-Zn) surface of the composite electrode integrated separator for water electrolysis by one aspect | mode of this invention. 本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板の陰極(Ni−Zn)断面のSEM顕微鏡イメージを示す図である。It is a figure which shows the SEM microscope image of the cathode (Ni-Zn) cross section of the composite electrode integrated separator for water electrolysis by one aspect | mode of this invention. 本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板の陽極(Ni−Fe−Zn)断面のSEM顕微鏡イメージを示す図である。It is a figure which shows the SEM microscope image of the anode (Ni-Fe-Zn) cross section of the composite electrode integrated separator for water electrolysis by one aspect | mode of this invention. 本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板の陰極(cathode)(Ni0.85Zn0.10.05)および陽極(anode)(Ni0.65Fe0.2Zn0.10.05)断面のSEM顕微鏡イメージを示す図である。Cathode (Ni 0.85 Zn 0.1 P 0.05 ) and anode (Ni 0.65 Fe 0.2 Zn 0 ) of a composite electrode integrated separator for water electrolysis according to one embodiment of the present invention .1 P 0.05 ) Cross-sectional SEM microscope image. 本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板の陰極(Ni−Zn−P)および陽極(Ni−Fe−Zn−P)の気孔分布を示す図である。It is a figure which shows the pore distribution of the cathode (Ni-Zn-P) and anode (Ni-Fe-Zn-P) of the composite electrode integrated separator for water electrolysis by one aspect | mode of this invention. 本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板が適用された水電解単一セルの性能(電圧、電流密度)の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the performance (voltage, current density) of the water electrolysis single cell to which the composite electrode integrated separator for water electrolysis according to one aspect of the present invention was applied. 本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板の陽極(Ni−Fe−Zn−P)に対して、アルカリ水電解システムの作動環境である温度80℃の強アルカリ(30%KOH)溶液内で電圧ポテンシャルの変化による電極の腐食評価結果を示す図である。Strong alkali (30% KOH) at a temperature of 80 ° C., which is the operating environment of the alkaline water electrolysis system, with respect to the anode (Ni—Fe—Zn—P) of the composite electrode integrated separator for water electrolysis according to one aspect of the present invention It is a figure which shows the corrosion evaluation result of the electrode by the change of voltage potential in a solution. 本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板の陽極(Ni−Fe−Zn−P)の耐久性評価結果を示す図である。It is a figure which shows the durability evaluation result of the anode (Ni-Fe-Zn-P) of the composite electrode integrated separator for water electrolysis by 1 aspect of this invention.

以下、本発明を詳細に説明する。
図2及び図3を参照すると、本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板100a、100bは、板(plate)状の伝導性部材110と、前記伝導性部材の一面または両面に形成される流路部130と、前記一面または両面に形成された流路部に連通する反応部150とを含み、前記反応部には、電極層が形成される。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
Referring to FIGS. 2 and 3, the water electrolysis composite electrode integrated separators 100 a and 100 b according to an embodiment of the present invention include a plate-shaped conductive member 110 and one or both surfaces of the conductive member. It includes a flow channel portion 130 formed and a reaction portion 150 communicating with the flow channel portion formed on one or both surfaces, and an electrode layer is formed in the reaction portion.

伝導性部材110は、ステンレス304、ステンレス316L、ニッケルが20μm以上メッキされたステンレス304、ニッケルが20μm以上メッキされたステンレス316L、チタンがメッキされたステンレス304、またはチタンがメッキされたステンレス316Lであり得る。   The conductive member 110 is stainless steel 304, stainless steel 316L, stainless steel 304 plated with nickel 20 μm or more, stainless steel 316L plated with nickel 20 μm or more, stainless steel 304 plated with titanium, or stainless steel 316L plated with titanium. obtain.

伝導性部材110の側面に形成されるガイド溝170を備え、水電解スタックの組み立ての際に別途のガイド部材がガイド溝170に装着されて分離膜、ガスケット、締結板との組み立てを容易にすることができる。   A guide groove 170 formed on the side surface of the conductive member 110 is provided. When the water electrolysis stack is assembled, a separate guide member is attached to the guide groove 170 to facilitate the assembly with the separation membrane, the gasket, and the fastening plate. be able to.

伝導性部材110は、一側には、電解液の流入する投入孔(hole)140aが形成され、他側には、反応部で水電解反応により生成される水素ガスまたは酸素ガスが排出される排出孔(hole)140bが形成され得る。投入孔140aと排出孔140bとは流路部130を介して連通する。   The conductive member 110 is formed with a hole 140a through which electrolyte flows in on one side, and hydrogen gas or oxygen gas generated by a water electrolysis reaction in the reaction unit is discharged on the other side. A drain hole 140b may be formed. The input hole 140a and the discharge hole 140b communicate with each other through the flow path portion 130.

より具体的には、伝導性部材110の両面に流路部130と反応部150が形成される場合、それぞれの面に1つずつの投入孔140aと排出孔140bが形成されるので、伝導性部材110には、2つずつの投入孔140aと排出孔140bが形成され得る。1つの投入孔140aと排出孔140bがペアをなして、一面に形成された流路部130と連通する。一方、伝導性部材110の一面にのみ流路部130と反応部150が形成される場合には、1つずつの投入孔140aと排出孔140bが形成されて流路部130と連通する。   More specifically, when the flow path part 130 and the reaction part 150 are formed on both surfaces of the conductive member 110, one input hole 140a and one discharge hole 140b are formed on each surface. The member 110 may have two input holes 140a and two discharge holes 140b. One input hole 140a and one discharge hole 140b make a pair and communicate with the flow path portion 130 formed on one surface. On the other hand, when the flow path part 130 and the reaction part 150 are formed only on one surface of the conductive member 110, one input hole 140 a and one discharge hole 140 b are formed and communicated with the flow path part 130.

流路部130は、電解液、水素ガス、酸素ガスが移動することが可能な通路(channel)の役割を果たすもので、より詳細には、投入孔140aから流入する電解液を反応部140へ移送して、水電解反応により生成される水素ガスまたは酸素ガスを排出孔140bへ移動させる。流路部130は、伝導性部材110に陰刻の形状に形成されるが、マシニング加工、化学エッチング、電気化学エッチングによって形成できる。流路部130は、伝導性部材110の表面から1mm以下の深さに形成できる。   The flow path part 130 plays a role of a channel through which the electrolytic solution, hydrogen gas, and oxygen gas can move. More specifically, the flow path part 130 supplies the electrolytic solution flowing from the charging hole 140a to the reaction part 140. The hydrogen gas or oxygen gas generated by the water electrolysis reaction is transferred to the discharge hole 140b. The channel portion 130 is formed in a negative shape on the conductive member 110, but can be formed by machining, chemical etching, or electrochemical etching. The flow path part 130 can be formed to a depth of 1 mm or less from the surface of the conductive member 110.

前記電極層は、伝導性部材110の一面または両面に形成された流路部130領域を除く反応部150領域に形成される。図2を参照すると、伝導性部材110の両面に形成される場合、第1面に形成された電極層は、陽極(anode)の機能を行い、反対面である第2面に形成された電極層は、陰極(cathode)の機能を行うことにより、同時に陽極と陰極を両方とも備える双極型(bipolar)の電極一体型分離板を提供することができる。一方、図3を参照すると、伝導性部材110の一面にのみ形成される場合、電極層の活性物質に応じて陽極(anode)または陰極(cathode)の機能を行うことができる。   The electrode layer is formed in the reaction part 150 region excluding the channel part 130 region formed on one or both surfaces of the conductive member 110. Referring to FIG. 2, when formed on both surfaces of the conductive member 110, the electrode layer formed on the first surface functions as an anode, and the electrode formed on the second surface which is the opposite surface. By performing the function of a cathode, the layer can provide a bipolar electrode-integrated separator having both an anode and a cathode at the same time. On the other hand, referring to FIG. 3, when the conductive member 110 is formed only on one surface, it can function as an anode or a cathode according to the active material of the electrode layer.

前記電極層は、ニッケル(Ni)、Ni−Zn、Ni−Zn−P、Ni−Fe−Zn、Ni−Fe−Zn−P、及びニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))よりなる群から選択される少なくとも一つであり、より詳細には、陽極(anode)はニッケル(Ni)、Ni、Ni−Fe−Zn、Ni−Fe−Zn−Pまたはニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))であり、陰極(chathode)はニッケル(Ni)またはNi−Znであり得る。 The electrode layers include nickel (Ni), Ni—Zn, Ni—Zn—P, Ni—Fe—Zn, Ni—Fe—Zn—P, and nickel-iron hydroxide ((Ni, Fe) (OH). 2 ) at least one selected from the group consisting of, and more specifically, the anode is nickel (Ni), Ni, Ni—Fe—Zn, Ni—Fe—Zn—P or nickel-iron water. It may be an oxide ((Ni, Fe) (OH) 2 ) and the cathode may be nickel (Ni) or Ni—Zn.

前記電極層は、電気化学メッキ、スプレーコーティング、PVD蒸着、溶射コーティングまたは水熱合成法によって形成できる。   The electrode layer can be formed by electrochemical plating, spray coating, PVD deposition, thermal spray coating, or hydrothermal synthesis.

前記電極層がニッケル(Ni)である場合には、サンドブラストを介してニッケル(Ni)層の表面粗さを強化させる。   When the electrode layer is nickel (Ni), the surface roughness of the nickel (Ni) layer is reinforced through sandblasting.

前記電極層であるNi−Zn、Ni−Zn−P、Ni−Fe−ZnまたはNi−Fe−Zn−Pの場合には、メッキ後、Znの選択的浸出を介して垂直配向の多孔性構造を持つ。   In the case of Ni—Zn, Ni—Zn—P, Ni—Fe—Zn or Ni—Fe—Zn—P as the electrode layer, the porous structure is vertically oriented through selective leaching of Zn after plating. have.

前記電極層がニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))である場合には、水熱合成法によって形成されることが好ましく、形成された電極層の表面が板状型の構造を持つ。 When the electrode layer is nickel-iron hydroxide ((Ni, Fe) (OH) 2 ), it is preferably formed by a hydrothermal synthesis method, and the surface of the formed electrode layer is a plate type With the structure of

水電解用複合電極一体型分離板110は、一面にのみ流路部130及び反応部150が形成される場合、水電解スタックの両端で締結板と直接連結されることにより、電極の機能及び集電板の機能を同時に行うことができる。   When the flow path part 130 and the reaction part 150 are formed only on one surface, the composite electrode integrated separator 110 for water electrolysis is directly connected to the fastening plate at both ends of the water electrolysis stack, thereby functioning and collecting electrodes. The function of the electric plate can be performed simultaneously.

本発明の一態様による水電解用複合電極一体型分離板の製造方法は、(1)板(plate)状の伝導性部材の一面または両面に流路部と反応部を形成する段階と、(2)前記反応部に電極層を形成する段階とを含む。   According to one aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a water-electrolytic composite electrode-integrated separation plate comprising: (1) forming a flow path portion and a reaction portion on one or both sides of a plate-like conductive member; 2) forming an electrode layer in the reaction part.

前記(1)段階において、伝導性部材は、ステンレス304またはステンレス316L部材であり、前記ステンレス304またはステンレス316lは、ニッケルまたはチタンメッキ層が20乃至50μmの厚さに形成された伝導性部材であり得る。ニッケルまたはチタンを形成することにより、伝導性部材の耐腐食性を向上させることができる。   In the step (1), the conductive member is a stainless steel 304 or a stainless steel 316L member, and the stainless steel 304 or the stainless steel 316l is a conductive member in which a nickel or titanium plating layer is formed to a thickness of 20 to 50 μm. obtain. By forming nickel or titanium, the corrosion resistance of the conductive member can be improved.

前記(1)段階において、流路部及び反応部は、マシニングセンタ(NCT)加工またはエッチングによって形成される。前記流路部は、伝導性部材の表面から垂直方向に1mm以下の深さに形成される。前記反応部はエッチングを介して表面粗さを向上させることができる。   In the step (1), the flow path part and the reaction part are formed by machining center (NCT) processing or etching. The channel portion is formed to a depth of 1 mm or less in the vertical direction from the surface of the conductive member. The reaction part can improve the surface roughness through etching.

前記(1)段階におけるエッチングは、機械的エッチングまたは電気化学エッチングであり得る。機械的エッチングは、アルミナ粒子(1乃至5μm)を用いたサンドブラスト(Sandblast)工程によって反応部の粗さを増大させることができる。また、電気化学エッチングは、塩酸(3〜5%)と硝酸(1〜2%)とを1:1で混合した薄い王水電解質で白金または炭素を対電極(counter electrode)として使用し、伝導性部材内に形成されて反応部のみ露出させ(ポリプロピレンまたはテフロン(登録商標)ホルダー結着)作動電極(working electrode)とするとき、10V定電圧を10分間付与して反応部の表面粗さを増大させる。   The etching in the step (1) may be mechanical etching or electrochemical etching. The mechanical etching can increase the roughness of the reaction part by a sandblast process using alumina particles (1 to 5 μm). Electrochemical etching is a thin aqua regia electrolyte in which hydrochloric acid (3-5%) and nitric acid (1-2%) are mixed at a ratio of 1: 1 using platinum or carbon as a counter electrode. When the working part is exposed (only in polypropylene or Teflon (registered trademark) holder) and is used as a working electrode, a 10V constant voltage is applied for 10 minutes to reduce the surface roughness of the reaction part. Increase.

前記(2)段階は、表面粗さが増大された伝導性部材の反応部に対して陽極(anode)または陰極(cathode)の電極層を形成することができ、電極層の形成は、電気化学メッキ、プラズマ溶射または水熱合成法によって行うことができる。   In the step (2), an anode or cathode electrode layer can be formed on the reaction part of the conductive member having an increased surface roughness. It can be performed by plating, plasma spraying or hydrothermal synthesis.

前記(2)段階で反応部に形成される電極層は、ニッケル(Ni)、Ni−Zn、Ni−Zn−P、Ni−Fe−Zn、Ni−Fe−Zn−P、及びニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))よりなる群から選択される少なくとも一つであり、前記電極層における陽極(anode)は、Ni、Ni−Fe−Zn、Ni−Fe−Zn−Pまたはニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))であり、陰極(cathode)であるNi、Ni−ZnまたはNi−Zn−Pであり得る。 The electrode layer formed in the reaction part in the step (2) includes nickel (Ni), Ni—Zn, Ni—Zn—P, Ni—Fe—Zn, Ni—Fe—Zn—P, and nickel-iron water. And at least one selected from the group consisting of oxides ((Ni, Fe) (OH) 2 ), and the anode in the electrode layer is Ni, Ni—Fe—Zn, Ni—Fe—Zn— P or nickel-iron hydroxide ((Ni, Fe) (OH) 2 ) and can be Ni, Ni—Zn or Ni—Zn—P which is a cathode.

前記(2)段階は、電極層としてNiメッキ層を形成した後、サンドブラストによってNi電極層の表面粗さを向上させることができる。   In the step (2), after the Ni plating layer is formed as the electrode layer, the surface roughness of the Ni electrode layer can be improved by sandblasting.

前記(2)段階は、Niと結合したZn成分を選択的に浸出させ、垂直に配向された多孔性構造を持つ電極層を形成することができる。具体的に、(a)Ni−Znベースの多元合金のためのメッキ溶液にNHClをZnに対して3乃至9のモル比で混合する段階と、(b)金属基材に前記メッキ溶液を高速メッキして電極を構成する段階と、(c)前記電極を強アルカリ溶液に浸漬してZnを浸出させる段階とを含む。 In the step (2), a Zn component bonded to Ni can be selectively leached to form an electrode layer having a vertically oriented porous structure. Specifically, (a) mixing NH 4 Cl in a molar ratio of 3 to 9 with respect to Zn in a plating solution for a Ni—Zn based multi-component alloy, and (b) applying the plating solution to a metal substrate. And (c) leaching Zn by immersing the electrode in a strong alkaline solution.

前記(a)段階のNi−Znベースの多元合金のためのメッキ溶液は、Ni、Zn及びNHClを含み、メッキ溶液の製造時にNHClをZnに対して3乃至9のモル比で混合することができる。好ましくは、NHClをZnに対して4乃至8のモル比で混合することができる。前記多元合金は、NiやZnの他にも、Co及びFeのうちの少なくとも一つの金属を構成成分としてさらに含むことができる。前記NHClとZnのメッキ溶液中のモル比により[Zn(NH2+への錯化が円滑に行われ得る。前記錯化によりZn2+のメッキ速度は減少する。同時に塩化物(Chloride)のイオン化によりイオン伝導度が増加してメッキ溶液内の抵抗を減少させ、Ni、Fe、Coのメッキ速度は増加することができる。前記メッキ溶液のpHは3乃至5であり得る。 Plating solution for step (a) Ni-Zn-based multi-alloy is, Ni, include Zn and NH 4 Cl, the NH 4 Cl at the time of manufacture of the plating solution at a molar ratio of 3 to 9 with respect to Zn Can be mixed. Preferably, NH 4 Cl can be mixed at a molar ratio of 4 to 8 with respect to Zn. The multi-component alloy may further include at least one metal of Co and Fe as a constituent component in addition to Ni and Zn. Complexation to [Zn (NH 3 ) 4 ] 2+ can be smoothly performed by the molar ratio of the NH 4 Cl and Zn in the plating solution. The complexing reduces the Zn 2+ plating rate. At the same time, the ion conductivity of the chloride increases to decrease the resistance in the plating solution and increase the plating rate of Ni, Fe, and Co. The plating solution may have a pH of 3-5.

NHClとZnの比率が上記のモル比から外れる場合、Znのメッキ速度が制御されない。Znのメッキ速度が制御されないまま過剰にメッキされる場合、電極は、表面が濃い灰色または黒色を帯びてメッキ面の機械的安定性が低下し、アルカリ溶液中のZn浸出時に気孔がまともに形成されないため電極の機械的安定性が低下するおそれがある。 When the ratio of NH 4 Cl and Zn deviates from the above molar ratio, the Zn plating rate is not controlled. When overplating without controlling the Zn plating rate, the electrode has a dark gray or black surface and the mechanical stability of the plating surface is reduced, and pores are formed properly when Zn is leached in an alkaline solution. Therefore, the mechanical stability of the electrode may be reduced.

本発明の実施例によれば、前記メッキ溶液内のNi2+とZn2+のモル比は、5:1乃至10:1、好ましくは6:1乃至9:1である。本発明の他の実施例であるNi−Zn−Fe(Co)電極の製造時にメッキ溶液内のNi2+:Zn2+:Fe2+(Co2+)のモル比は、Zn2+の割合に応じてNi2+(4mol):Zn2+(1乃至3mol):Fe2+(Co2+)(1乃至2)である。Fe(Co)は、三元合金内のFeまたはCoをメッキすることができることを示す。 According to an embodiment of the present invention, the molar ratio of Ni 2+ to Zn 2+ in the plating solution is 5: 1 to 10: 1, preferably 6: 1 to 9: 1. The molar ratio of Ni 2+ : Zn 2+ : Fe 2+ (Co 2+ ) in the plating solution during the manufacture of the Ni—Zn—Fe (Co) electrode according to another embodiment of the present invention depends on the ratio of Zn 2+. 2+ (4 mol): Zn 2+ (1 to 3 mol): Fe 2+ (Co 2+ ) (1 to 2). Fe (Co) indicates that Fe or Co in the ternary alloy can be plated.

メッキ溶液内のNiイオンがZnイオンに比べて10倍以上添加されると、電極のZn2+がNi2+に比べて1/10以下のモル比を持つ場合、気孔を形成してZn量が不足し、或いはアルカリ溶液中における浸出時にZnが選択的に浸出されない。また、光沢ニッケルメッキが行われてアルカリ溶液中における浸出(leaching)後にも気孔が形成されない。 When Ni ions in the plating solution are added more than 10 times compared to Zn ions, if the electrode Zn 2+ has a molar ratio of 1/10 or less compared to Ni 2+ , pores are formed and the amount of Zn is insufficient. Alternatively, Zn is not selectively leached during leaching in an alkaline solution. In addition, no pores are formed even after bright nickel plating and leaching in an alkaline solution.

本発明の製造方法で製造された三元合金であるNi−Fe−Zn電極は、Ni、Zn、Feに対してNi65乃至75モル%、Zn7乃至12モル%、Fe15乃至25モル%を含む電極である。リン酸塩で皮膜処理したNi−Fe−Zn−P電極は、Ni、Zn、Fe、Pに対してNi60乃至79モル%、Zn5乃至10モル%、Fe10乃至20モル%及びP5乃至10モル%を含む。前記Ni−Fe−ZnまたはNi−Fe−Zn−P電極におけるFeはCoで代替することができ、これにより、Ni−Co−ZnまたはNi−Co−Zn−P電極を製造することができる。   The Ni—Fe—Zn electrode, which is a ternary alloy manufactured by the manufacturing method of the present invention, contains 65 to 75 mol% of Ni, 7 to 12 mol% of Zn, and 15 to 25 mol% of Fe with respect to Ni, Zn and Fe. It is. The Ni—Fe—Zn—P electrode coated with phosphate is Ni 60 to 79 mol%, Zn 5 to 10 mol%, Fe 10 to 20 mol% and P 5 to 10 mol% with respect to Ni, Zn, Fe and P. including. Fe in the Ni—Fe—Zn or Ni—Fe—Zn—P electrode can be replaced by Co, whereby a Ni—Co—Zn or Ni—Co—Zn—P electrode can be manufactured.

前記製造されたNi−(Co或いはFe)−Znの二元/三元合金メッキ電極の断面及び表面は、従来技術で製造されたメッキ面に比べてデンドライト形成が制御されて、均一かつ緻密なメッキ層を有し、メッキ効率も98%以上に該当する。   The Ni- (Co or Fe) -Zn binary / ternary alloy plated electrode has a cross-section and a surface that have a dendrite formation controlled and uniform and dense compared to the plated surface manufactured by the prior art. It has a plating layer, and the plating efficiency corresponds to 98% or more.

前記Znとその他の金属とのメッキ速度の差により、BCC(Body Centered Cubic)構造を持つNiZn21のγ相(γ−phase)Ni−Zn合金層をメッキ層に形成することができる。 Due to the difference in plating speed between Zn and other metals, a γ-phase Ni—Zn alloy layer of Ni 5 Zn 21 having a BCC (Body Centered Cubic) structure can be formed on the plating layer.

前記メッキ速度の差によりNiの垂直配向メッキを誘導して、メッキ後のZn浸出工程時に垂直配向の気孔形成を制御することができる。   The vertical alignment plating of Ni can be induced by the difference in the plating speed, and the formation of vertically aligned pores can be controlled during the Zn leaching process after plating.

前記(b)段階で、メッキ時の電流密度は20乃至300mA/cmであるが、好ましくは50乃至200mA/cmである。電気メッキの際に25乃至50℃で10乃至90分、好ましくは15乃至60分間電気メッキを施してSTS或いはNi金属基材上に合金メッキ層を形成することができる。この段階でニッケルまたは白金電極を対電極(counter electrode)として使用することができる。 In step (b), the current density during plating is 20 to 300 mA / cm 2 , preferably 50 to 200 mA / cm 2 . During electroplating, an alloy plating layer can be formed on the STS or Ni metal substrate by performing electroplating at 25 to 50 ° C. for 10 to 90 minutes, preferably 15 to 60 minutes. At this stage, a nickel or platinum electrode can be used as a counter electrode.

形成されたメッキ層の厚さは5乃至100μmに多様に調節することができ、BCC構造を持つNiZn21のγ相(γ−phase)Ni−Zn合金層がメッキ層に形成される。γ相(γ−phase)Ni−Zn合金層が形成されてこそ、次の段階でZnの選択的浸出が可能だからである。 The thickness of the formed plating layer can be variously adjusted to 5 to 100 μm, and a γ-phase Ni—Zn alloy layer of Ni 5 Zn 21 having a BCC structure is formed on the plating layer. This is because only when a γ-phase (γ-phase) Ni—Zn alloy layer is formed, Zn can be selectively leached in the next stage.

(c)段階では、強アルカリ溶液内で70乃至90℃、好ましくは78乃至83℃、さらに好ましくは80℃で9乃至11時間浸漬させる。前述した強アルカリ溶液は、20〜30wt%のKOH或いはNaOH溶液であり得るが、これに限定されない。   In step (c), the substrate is immersed in a strong alkaline solution at 70 to 90 ° C., preferably 78 to 83 ° C., more preferably 80 ° C. for 9 to 11 hours. The strong alkali solution described above may be a 20 to 30 wt% KOH or NaOH solution, but is not limited thereto.

結果的に、多孔性Ni−Zn、Ni−Fe−Zn、Ni−Co−Zn、またはNi−Fe−Co−Zn電極が構成できる。これらの電極の表面は、40乃至60nmのグレイン(grain)サイズを持つことができる。   As a result, a porous Ni—Zn, Ni—Fe—Zn, Ni—Co—Zn, or Ni—Fe—Co—Zn electrode can be formed. The surface of these electrodes can have a grain size of 40-60 nm.

前述した方法で酸素及び水素発生活性を持つNi、FeまたはCoなどの活性金属触媒を所望の金属基材、例えばSTS或いはNiにZnと一緒に単一または二元、三元合金コーティングして電極を構成することができる。同時に、強アルカリ溶液中に選択的にZnを浸出して、水電解反応に最適化された垂直配向の気孔を有する電極を製造することができる。   An electrode obtained by coating an active metal catalyst such as Ni, Fe, or Co having oxygen and hydrogen generation activity with a desired metal substrate, for example, STS or Ni together with Zn together with Zn in the above-described method. Can be configured. At the same time, Zn can be selectively leached into a strong alkaline solution to produce an electrode having vertically aligned pores optimized for a water electrolysis reaction.

上記の方法で製造された電極内垂直配向の気孔は、水電解反応に必要な電解質溶液の浸透が容易であるため、電極の利用率を高めるうえ、生成された気体の排出にも容易である。結果として、電極の耐久性を高め、水電解セルの高電流運転に有利である。   The vertically oriented pores in the electrode manufactured by the above method can easily penetrate the electrolyte solution necessary for the water electrolysis reaction, so that the utilization rate of the electrode is increased and the generated gas can be easily discharged. . As a result, the durability of the electrode is increased, which is advantageous for high current operation of the water electrolysis cell.

前記(2)段階は、(d)リン酸塩で皮膜処理する段階をさらに含むことができる。   The step (2) may further include (d) a step of coating with a phosphate.

Znを浸出した後、リン酸塩で皮膜処理する段階では、Znを浸出した電極を蒸留水で洗浄して不純物を除去した後、モル濃度1乃至2のリン酸塩を含む溶液で皮膜処理を行う。皮膜処理の際にリン酸塩を含む溶液の温度は、20乃至100℃、好ましくは30乃至80℃である。   After leaching Zn, in the step of coating with phosphate, the electrode leached with Zn is washed with distilled water to remove impurities, and then coated with a solution containing a phosphate having a molar concentration of 1 to 2. Do. The temperature of the solution containing phosphate during the film treatment is 20 to 100 ° C., preferably 30 to 80 ° C.

前記リン酸塩溶液のモル濃度が2モル濃度以上である場合、過度な量のリン酸塩が皮膜されて電極の電気伝導度を低下させて電極性能の低下をもたらすおそれがある。通常、リン酸塩溶液の温度は、溶媒の気化を防ぐために100℃以下を使用する。これに対し、アンモニウム塩が結合したリン酸塩を使用する場合、アンモニアガス発生のリスクのため、温度をさらに下げて50℃以下で作業しなければならない。   When the molar concentration of the phosphate solution is 2 molar concentration or more, an excessive amount of phosphate may be coated to reduce the electrical conductivity of the electrode, leading to a decrease in electrode performance. Usually, the temperature of the phosphate solution is 100 ° C. or lower in order to prevent vaporization of the solvent. On the other hand, when using a phosphate to which an ammonium salt is bonded, the temperature must be further lowered and the operation must be performed at 50 ° C. or less because of the risk of ammonia gas generation.

リン酸塩の種類は、リン酸アンモニウム(ammonium phosphate )、水酸化アンモニウム中におけるリン酸亜鉛(zinc phosphate in ammonium hydroxide)、リン酸(phosphoric acid)などであり得るが、これに限定されない。リン酸塩溶液は、水またはエタノールなどの溶媒への水和時にリン酸二水素(Dihydrogen phosphate(HPO4−)イオンを含む。具体的には、カリウムとリン酸塩が結合した形態のKαβ、ナトリウムとリン酸塩が結合した形態のNaαβPO、アンモニウムとリン酸塩が結合した形態の(NHαβPO、リン酸二アンモニウム(Diammonium phosphate)−(NHHPO、リン酸鉄アンモニウム(ammonium iron phosphate)−NHFe(PO、リン酸(Phosphoric acid)(HPO)、リン酸亜鉛(Zinc phosphate)を溶かしたアンモニア水溶液(ammonium hydroxide−NHOH)などがある(前記α、βはそれぞれ1≦α≦3、1≦β≦3である。)。 The type of phosphate may be, but is not limited to, ammonium phosphate, zinc phosphate in ammonium hydroxide, phosphoric acid, and the like. The phosphate solution contains dihydrogen phosphate (H 2 PO 4− ) ions when hydrated in a solvent such as water or ethanol, specifically, in a form in which potassium and phosphate are combined. K α H β O 4 , Na α H β PO 4 in a form in which sodium and phosphate are combined, (NH 4 ) α H β PO 4 in a form in which ammonium and phosphate are combined, diammonium phosphate (Diammonium) phosphate- (NH 4 ) 2 HPO 4 , ammonium iron phosphate-NH 4 Fe 2 (PO 4 ) 2 , phosphoric acid (H 3 PO 4 ), zinc phosphate (Zinc phosphate) ) Dissolved ammonia aqueous solution (ammonium hydro) roxide-NH 4 OH) (the α and β are 1 ≦ α ≦ 3 and 1 ≦ β ≦ 3, respectively).

前記リン酸塩を含む溶液で5乃至10分間1)ディップコーティング(Dip coating)または2)スプレーコーティング(spray coating)方法で電極をリン酸塩で皮膜処理した後、蒸留水で洗浄して水電解メッキ電極を製造する。   5-10 minutes in the solution containing the phosphate 1) Dip coating or 2) Spray coating method is used to coat the electrode with phosphate, and then rinse with distilled water to perform water electrolysis. A plated electrode is manufactured.

前記リン酸塩で皮膜処理された水電解メッキ電極内のZnとFeは、下記反応式1のような化学反応を介してリン酸塩と結合してZn(POとZnFe(POなどとして存在する。前記Zn(POとZnFe(POにより水電解電極のオン/オフ(on/off)繰り返し運転の下にも相変化及びZnとFeの浸出速度を遅らせてNi−Zn−Fe電極の耐久性を高める。図13に示すように、リン酸塩で被覆した電極である、厚さ25乃至100μmのNi0.7Fe0.2Zn0.1P電極の場合、CC、VC及びRCCのいずれの場合にも、過電圧が約325mV以下である。これは、アルカリ水電解陽極の耐久性の効率が約79%以上を維持することを意味する(1.230V/1.555V≒9%)。 Zn and Fe in the water electroplating electrode coated with the phosphate are bonded to the phosphate through a chemical reaction as shown in the following reaction formula 1 to form Zn 3 (PO 4 ) 2 and Zn 2 Fe. (PO 4 ) 2 etc. The Zn 3 (PO 4 ) 2 and Zn 2 Fe (PO 4 ) 2 slow the phase change and Zn / Fe leaching rate under repeated on / off operation of the water electrolysis electrode. Increase the durability of the Zn-Fe electrode. As shown in FIG. 13, in the case of a Ni 0.7 Fe 0.2 Zn 0.1 P electrode having a thickness of 25 to 100 μm, which is an electrode coated with phosphate, in any of CC, VC and RCC However, the overvoltage is about 325 mV or less. This means that the durability efficiency of the alkaline water electrolysis anode is maintained at about 79% or more (1.230V / 1.555V≈9%).

[反応式1]
3Zn2++2HPO +4HO→Zn(PO・4HO+4H
2Zn2++Fe2++2HPO +4HO→ZnFe(PO・4HO+4H
[Reaction Formula 1]
3Zn 2+ + 2H 2 PO 4 + 4H 2 O → Zn 3 (PO 4 ) 2 .4H 2 O + 4H +
2Zn 2+ + Fe 2+ + 2H 2 PO 4 + 4H 2 O → Zn 2 Fe (PO 4 ) 2 .4H 2 O + 4H +

前記リン酸塩で処理した段階を含む製造方法によって製造された電極の比表面積は、5乃至100m/gであり得る。 The specific surface area of the electrode manufactured by the manufacturing method including the step of treating with the phosphate may be 5 to 100 m 2 / g.

前記(2)段階は、水熱合成法によって、ニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))の電極層を形成することができる。好ましくは、陽極としてニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))を形成することができる。 In the step (2), an electrode layer of nickel-iron hydroxide ((Ni, Fe) (OH) 2 ) can be formed by a hydrothermal synthesis method. Preferably, nickel-iron hydroxide ((Ni, Fe) (OH) 2 ) can be formed as the anode.

また、本発明は、前記水電解用複合電極一体型分離板100が適用された水電解スタックを提供することができる。   In addition, the present invention can provide a water electrolysis stack to which the composite electrode integrated separator 100 for water electrolysis is applied.

前記水電解スタックは、両側に締結板(エンドプレート(end plate))が備えられ、一側から他側まで締結板、陽極(anode)または陰極(cathode)複合電極一体型分離板、メンブレイン、双極型複合電極一体型分離板、メンブレイン、陰極または陽極複合電極一体型分離板、及び締結板の順に積層された構造であり得る。このとき、メンブレインと双極型複合電極一体型分離板は、一つの単位セルを形成することができ、上記の単位セルが繰り返される構造の水電解スタックを製造することができる。   The water electrolysis stack is provided with a fastening plate (end plate) on both sides, a fastening plate from one side to the other side, an anode or a cathode composite electrode integrated separator, a membrane, A bipolar composite electrode integrated separator, a membrane, a cathode or anode composite electrode integrated separator, and a fastening plate may be laminated in this order. At this time, the membrane and the bipolar composite electrode integrated separator can form one unit cell, and a water electrolysis stack having a structure in which the unit cell is repeated can be manufactured.

一例として、図4を参照すると、一側から、第1締結板200a、一面にのみ電極(陽極(anode)または陰極(cathode))が形成された分離板100b、メンブレイン300、双極型複合電極一体型分離板100a、メンブレイン300、一面にのみ電極(陽極または陰極)が形成された一体型分離板100b、及び第2締結板200bの順に積層された水電解スタック10の構造を提供し、水電解スタックにおけるそれぞれの構成品は、ガイド部材400を介して組み立てられ、ガイド部材は、複合電極一体型分離板100a、100bとメンブレイン300に形成されたガイド溝170に装着され、水電解スタックの組み立てを容易にすることができる。一例として、第1締結板200aと第2締結板200bは、電解液及び酸素、水素ガスの通路にガスケット210、電解液の出入り口230及び集電体250を含むことができる。このとき、メンブレインと双極型複合電極一体型分離板は、一つの単位セルを形成し、一側から、第1締結板、陽極(anode)一体型分離板、第1単位セル、第2単位セル、陰極(cathode)一体型分離板、及び第2締結板の順に積層された水電解スタックの構造を提供することができ、繰り返される単位セルの数は、使用目的に応じて多様に調節できる。   As an example, referring to FIG. 4, from one side, the first fastening plate 200a, a separation plate 100b having an electrode (an anode or cathode) formed only on one surface, a membrane 300, a bipolar composite electrode Provided is a structure of a water electrolysis stack 10 in which an integrated separator 100a, a membrane 300, an integrated separator 100b having an electrode (anode or cathode) formed on only one surface, and a second fastening plate 200b are stacked in this order. Each component in the water electrolysis stack is assembled through a guide member 400, and the guide member is mounted on a guide groove 170 formed in the composite electrode integrated separators 100a and 100b and the membrane 300, and the water electrolysis stack. Can be easily assembled. As an example, the first fastening plate 200a and the second fastening plate 200b may include a gasket 210, an electrolyte outlet / outlet 230, and a current collector 250 in the passage of the electrolyte, oxygen, and hydrogen gas. At this time, the membrane and the bipolar composite electrode integrated separator form one unit cell, and from one side, the first fastening plate, the anode integrated separator, the first unit cell, and the second unit A structure of a water electrolysis stack in which a cell, a cathode integrated separator, and a second fastening plate are sequentially stacked can be provided, and the number of repeated unit cells can be variously adjusted according to the purpose of use. .

メンブレイン300は、多孔性分離膜または陰イオン交換膜であり得る。   The membrane 300 can be a porous separation membrane or an anion exchange membrane.

以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。これらの実施例は、本発明を例示するためのものに過ぎず、本発明の範囲がこれらの実施例に限定されると解釈されないのは、当該分野における通常の知識を有する者にとって自明であろう。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. It is obvious to those skilled in the art that these examples are only intended to illustrate the present invention and that the scope of the present invention should not be construed to be limited to these examples. Let's go.

実施例1.ニッケル(Ni)陽極:ニッケル(Ni)陰極
ステンレス304の伝導性プレートを準備した後、伝導性プレート上の両面に、電解液が移動する流路部と、電極層が形成される反応部とをCNC加工またはエッチングによって設計する。流路が形成された伝導性プレートに対して、伝導性プレートの両面の流路部を除く反応部に対して陽極(anode)及び陰極(cathode)活物質としてニッケル(Ni)を用いてメッキを施した後、サンドブラスト工程によって粗さを増大させた双極型(bipolar)水電解複合電極一体型分離板を製造する。
Example 1. Nickel (Ni) anode: Nickel (Ni) cathode After preparing a conductive plate of stainless steel 304, on both sides of the conductive plate, there are a flow path portion on which the electrolyte moves and a reaction portion where an electrode layer is formed. Designed by CNC machining or etching. The conductive plate formed with the flow path is plated using nickel (Ni) as an anode and cathode active material for the reaction part excluding the flow path parts on both sides of the conductive plate. After the application, a bipolar bipolar plate with integrated electrolysis electrode with increased roughness is manufactured by a sandblasting process.

実施例2.ニッケル(Ni)陽極:Ni−Zn陰極(多孔性の垂直配向構造)
ステンレス304の伝導性プレートを準備した後、伝導性プレート上の両面に、電解液が移動する流路部と、電極層が形成される反応部とを設計する。流路が形成された伝導性プレートに対して、伝導性プレートの両面の流路部を除く反応部に対してサンドブラスト工程を介して粗さを増大させた後、一面に対しては陽極(anode)活物質としてニッケル(Ni)を用い、他面に対しては陰極(cathode)活物質としてRaney−Ni(Ni−Zn)を用いた。陰極にNi−Znを形成するためには、下記表1の組成を有するメッキ浴(bath)(pH3〜5)を準備した後、表1におけるメッキ浴で25乃至50℃、50乃至300mA/cmの電流密度で10乃至60分間電気メッキ(対電極(counter electrode):ニッケル電極)を施してγ相(γ−phase)のNi−Zn電極層(BBC構造、NiZn21)を塗布し、メッキ層を5乃至100μmの厚さに塗布する(Ni−Znメッキ)。その後、電極層が塗布された水電解分離板を70〜90℃の強塩基(20〜30wt% KOHまたはNaOH)溶液内で10時間浸漬して、垂直配向の気孔を有する多孔性構造が形成された(Zn選択的浸出)水電解用複合電極一体型分離板を製造する。この時の陰極の組成物は、NiX1−Zn1−X1(X1=0.7〜0.8)の組成を有する。
Example 2 Nickel (Ni) anode: Ni-Zn cathode (porous vertical alignment structure)
After preparing a conductive plate made of stainless steel 304, a flow path portion through which the electrolytic solution moves and a reaction portion in which an electrode layer is formed are designed on both surfaces of the conductive plate. After increasing the roughness of the reaction plate excluding the flow channel portions on both sides of the conductive plate with respect to the conductive plate formed with the flow channel through a sandblasting process, an anode is formed on one surface. ) Nickel (Ni) was used as the active material, and Raney-Ni (Ni-Zn) was used as the cathode active material for the other surface. In order to form Ni—Zn on the cathode, after preparing a plating bath (pH 3 to 5) having the composition shown in Table 1 below, the plating bath in Table 1 was used at 25 to 50 ° C. and 50 to 300 mA / cm. Electroplating (counter electrode: nickel electrode) at a current density of 2 to 10 minutes and applying a γ-phase Ni—Zn electrode layer (BBC structure, Ni 5 Zn 21 ) The plating layer is applied to a thickness of 5 to 100 μm (Ni—Zn plating). Thereafter, the water electrolysis separator coated with the electrode layer is dipped in a strong base (20-30 wt% KOH or NaOH) solution at 70 to 90 ° C. for 10 hours to form a porous structure having vertically oriented pores. (Zn selective leaching) A composite electrode integrated separator for water electrolysis is manufactured. The composition of the cathode at this time has a composition of Ni X1 —Zn 1-X1 (X1 = 0.7 to 0.8).

実施例3.Ni−Fe−Zn陽極(多孔性の垂直配向構造):Ni−Zn陰極(多孔性の垂直配向構造)
実施例2と同様に行うが、メッキ過程で陽極活物質としてNi−Fe−Znを用いた。Ni−Fe−Znを形成するためには、下記表2の組成を有するメッキ浴(bath)(pH3〜5)を準備した後、表2におけるメッキ浴で25乃至50℃、50乃至300mA/cmの電流密度で10乃至60分間電気メッキ(対電極(counter electrode):ニッケル電極)を施してNi−Fe−Zn層を形成する(Ni−Fe−Znメッキ)。その後、陰極と陽極の電極層が塗布された水電解分離板を70〜90℃の強塩基(20〜30wt%KOHまたはNaOH)溶液内で10時間浸漬して、垂直配向の気孔を有する多孔性構造が形成された(Zn選択的浸出)水電解用複合電極一体型分離板を製造する。この時の陽極の組成は、NiX2−FeY1−Zn1−X2−Y1(X2=0.7〜0.85、Y1=0.05〜0.2)の組成を有する。
Example 3 FIG. Ni-Fe-Zn anode (porous vertical alignment structure): Ni-Zn cathode (porous vertical alignment structure)
Although it carried out similarly to Example 2, Ni-Fe-Zn was used as an anode active material in the plating process. In order to form Ni-Fe-Zn, a plating bath having a composition shown in Table 2 below (pH 3 to 5) was prepared, and then the plating bath in Table 2 was used at 25 to 50 ° C. and 50 to 300 mA / cm. Electroplating (counter electrode: nickel electrode) is performed at a current density of 2 for 10 to 60 minutes to form a Ni—Fe—Zn layer (Ni—Fe—Zn plating). Thereafter, the water electrolysis separator plate coated with the cathode and anode electrode layers is immersed in a strong base (20 to 30 wt% KOH or NaOH) solution at 70 to 90 ° C. for 10 hours to obtain a porous material having vertically oriented pores. A composite electrode integrated separator for water electrolysis having a structure (Zn selective leaching) is manufactured. The composition of the anode at this time, Ni X2 -Fe Y1 -Zn 1- X2-Y1 (X2 = 0.7~0.85, Y1 = 0.05~0.2) having the composition.

実施例4.ニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))陽極:Ni−Zn陰極(多孔性垂直配向構造)
実施例2と同様に行うが、陽極活物質として、水熱合成法によって製造されたニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))を用いた。実施例2における多孔性の垂直配向構造を持つNi−Zn陰極を形成した後、陽極(anode)面に電気化学メッキまたは尿素を用いた水熱合成法によってニッケル−鉄水酸化物を形成した。
Example 4 Nickel - Iron hydroxide ((Ni, Fe) (OH 2)) anode: Ni-Zn cathode (porous vertically aligned structure)
Although it carries out similarly to Example 2, the nickel-iron hydroxide ((Ni, Fe) (OH) 2 ) manufactured by the hydrothermal synthesis method was used as an anode active material. After forming the Ni—Zn cathode having a porous vertical alignment structure in Example 2, nickel-iron hydroxide was formed on the anode surface by electrochemical plating or hydrothermal synthesis using urea.

水熱合成法を用いてニッケル−鉄水酸化物を形成する場合、反応容器内に、反応部が突出したポリプロピレンまたはテフロン(登録商標)ホルダーを結着させた伝導性プレートを位置させる。伝導性プレートは、陽極面が上向きとなるように置く。反応容器内にニッケルと鉄前駆体と尿素を投入し、常温から90乃至120℃まで昇温させた後、再び常温に冷却させて水電解用複合電極一体型分離板を製造する。   When nickel-iron hydroxide is formed using the hydrothermal synthesis method, a conductive plate having a reaction part protruding from a polypropylene or Teflon (registered trademark) holder is positioned in the reaction vessel. The conductive plate is placed with the anode side facing up. Nickel, iron precursor, and urea are charged into the reaction vessel, and the temperature is raised from room temperature to 90 to 120 ° C., and then cooled again to room temperature to produce a composite electrode integrated separator for water electrolysis.

実施例5.Ni−Fe−Zn−P陽極(垂直配向構造):Ni−Zn−P陰極(垂直配向構造)
実施例3で製造された水電解複合電極一体型分離板を、30乃至80℃で、リン酸塩を含むモル濃度1乃至2のリン酸アンモニウム(ammonium phosphate)、水酸化アンモニウム中におけるリン酸亜鉛(zinc phosphate in ammonium hydroxide)、リン酸(phosphoric acid)などの溶液で5〜10分間ディップコーティング(Dip coating)またはスプレーコーティング(spray coating)してリン酸塩皮膜処理した。これにより製造された水電解用複合電極一体型分離板の陰極(cathode)はNi0.85Zn0.10.05の組成を有し、陽極(anode)はNi0.65Fe0.2Zn0.10.05の組成を有する。
実施例1乃至5で製造された電極の組成を下記表3にまとめた。
Example 5 FIG. Ni-Fe-Zn-P anode (vertical alignment structure): Ni-Zn-P cathode (vertical alignment structure)
The water electrolysis composite electrode integrated separator prepared in Example 3 was used at 30 to 80 ° C. at a phosphate concentration of 1 to 2 molar phosphate ammonium phosphate and zinc phosphate in ammonium hydroxide. (Zinc phosphate in ammonium hydroxide), phosphoric acid (phosphoric acid) and the like, dip coating (spray coating) and spray coating (spray coating) for 5 to 10 minutes to perform a phosphate coating treatment. The cathode of the composite electrode integrated separator for water electrolysis thus produced has a composition of Ni 0.85 Zn 0.1 P 0.05 and the anode is Ni 0.65 Fe 0. 2 having a composition of Zn 0.1 P 0.05 .
The compositions of the electrodes manufactured in Examples 1 to 5 are summarized in Table 3 below.

製造例.水電解スタックの製造
実施例1乃至4で製造された複合電極一体型分離板を含む水電解スタックを製造した。水電解スタックは、締結板(エンドプレート);陽極分離板;メンブレイン;実施例1乃至4で製造された複合電極分離板;メンブレイン;陰極分離板;締結板(エンドプレート)の順に積層することにより、4種類の複合電極分離板を適用した水電解スタックを製造した。
Manufacturing example. Manufacture of Water Electrolytic Stack A water electrolysis stack including the composite electrode integrated separator manufactured in Examples 1 to 4 was manufactured. The water electrolysis stack is laminated in the following order: fastening plate (end plate); anode separator plate; membrane; composite electrode separator plate manufactured in Examples 1 to 4; membrane; cathode separator plate; Thus, a water electrolysis stack to which four types of composite electrode separators were applied was manufactured.

実験例1.陰極(Ni−Zn)のXRD(X−ray Differaction)分析
実施例2乃至4で製造された水電解用複合電極一体型分離板の陰極(Ni−Zn)における、メッキ後のZnの選択的浸出前後のXRD構造分析を行い、その結果を図5に示した。
Experimental Example 1 XRD (X-ray Diffraction) Analysis of Cathode (Ni-Zn) Selective leaching of Zn after plating at cathode (Ni-Zn) of composite electrode integrated separator for water electrolysis produced in Examples 2-4 Before and after XRD structure analysis, the results are shown in FIG.

図5を参照すると、メッキ後にNiZn21のγ相(γ−phase)Ni−Zn合金層が形成されたことを確認することができ、Znの選択的浸出後にNi(111、200、220)それぞれのピーク(peak)で図示され、Znが浸出されたことを確認することができる。 Referring to FIG. 5, it can be confirmed that a γ-phase Ni—Zn alloy layer of Ni 5 Zn 21 was formed after plating, and Ni (111, 200, 220 after selective leaching of Zn). ) Each peak is illustrated and it can be confirmed that Zn was leached.

一方、陽極(Ni−Fe−Zn)(図示せず)は、XRDピーク分析の際に、図5と同一のピークが観察されてZn浸出を確認することができ、Feピークがさらに観察される。   On the other hand, in the anode (Ni—Fe—Zn) (not shown), during the XRD peak analysis, the same peak as in FIG. 5 is observed, and Zn leaching can be confirmed, and the Fe peak is further observed. .

実験例2.陰極(Ni−Zn)の表面分析
実施例2乃至4で製造された水電解用複合電極一体型分離板の陰極(Ni−Zn)に対してSEM顕微鏡を用いて、メッキ後とZnの選択的浸出後の表面を観察した。その結果を図6に示した。
Experimental Example 2. Surface Analysis of Cathode (Ni-Zn) Using a SEM microscope on the cathode (Ni-Zn) of the composite electrode integrated separator for water electrolysis produced in Examples 2 to 4, after plating and selective Zn The surface after leaching was observed. The results are shown in FIG.

図6を参照すると、図6の下側イメージはEDS元素分析によるNiとZnの分布を示したものであって、Znの選択的浸出後、電極の表面に垂直配向の気孔が形成されたことを確認することができる。   Referring to FIG. 6, the lower image of FIG. 6 shows the distribution of Ni and Zn by EDS elemental analysis. After the selective leaching of Zn, vertically aligned pores were formed on the surface of the electrode. Can be confirmed.

実験例3.陰極(Ni−Zn)及び陽極(Ni−Fe−Zn)の断面分析
実施例2乃至4で製造された水電解用複合電極一体型分離板の陰極(Ni−Zn)と実施例3で製造された陽極(Ni−Fe−Zn)の断面をSEM顕微鏡を介して観察し、その結果を図7(陰極)及び図8(陽極)に示した。
Experimental Example 3. Cross-sectional analysis of cathode (Ni-Zn) and anode (Ni-Fe-Zn) The cathode (Ni-Zn) of the composite electrode integrated separator for water electrolysis produced in Examples 2 to 4 and Example 3 were used. The cross section of the anode (Ni—Fe—Zn) was observed through an SEM microscope, and the results are shown in FIG. 7 (cathode) and FIG. 8 (anode).

図7を参照すると、陰極(Ni−Zn)(図4の右側イメージ)は、垂直配向の気孔を形成したことを確認することができる。   Referring to FIG. 7, it can be confirmed that the cathode (Ni—Zn) (the image on the right side of FIG. 4) formed vertically aligned pores.

図8を参照すると、Ni0.7Fe0.2Zn0.1の組成を有し、垂直配向の気孔を形成したことを確認することができる。 Referring to FIG. 8, it can be confirmed that vertically oriented pores having a composition of Ni 0.7 Fe 0.2 Zn 0.1 were formed.

実験例4.陰極(Ni−Zn−P)及び陽極(Ni−Fe−Zn−P)の断面分析
実施例5で製造された水電解用複合電極一体型分離板の陰極(cathode)(Ni0.85Zn0.10.05)及び陽極(anode)(Ni0.65Fe0.2Zn0.10.05)の断面をSEM顕微鏡を介して観察し、その結果を図9に示した。
Experimental Example 4 Cross-sectional analysis of cathode (Ni—Zn—P) and anode (Ni—Fe—Zn—P) Cathode (Ni 0.85 Zn 0 ) of composite electrode integrated separator plate for water electrolysis produced in Example 5 .1 P 0.05 ) and an anode (Ni 0.65 Fe 0.2 Zn 0.1 P 0.05 ) were observed through a SEM microscope, and the results are shown in FIG.

図9を参照すると、陰極(左側イメージ)と陽極(右側イメージ)のいずれもリン酸(P)皮膜が形成されるにも拘らず、垂直配向の気孔を維持していることを確認することができる。   Referring to FIG. 9, it is confirmed that both the cathode (left image) and the anode (right image) maintain the vertically oriented pores despite the formation of the phosphoric acid (P) film. it can.

実験例5.陰極(Ni−Zn−P)及び陽極(Ni−Fe−Zn−P)の表面分析
実施例5で製造された水電解用複合電極一体型分離板の陰極及び陽極の気孔分布を図10に示した。
Experimental Example 5. Surface Analysis of Cathode (Ni—Zn—P) and Anode (Ni—Fe—Zn—P) FIG. 10 shows the pore distribution of the cathode and anode of the composite electrode integrated separator for water electrolysis produced in Example 5. It was.

図10を参照すると、電極のいずれも垂直配向の気孔を有するが、Feが添加された電極の場合、相対的にサイズ0.01乃至1μmの微細な気孔をさらに有する。両電極のいずれも、気孔サイズ分布は0.03乃至10μmであり、50nm以上のMacroサイズの気孔が主に分布する。また、電極層は、比表面積が5乃至100m/gである。 Referring to FIG. 10, all of the electrodes have vertically oriented pores, but the electrode to which Fe is added further has fine pores having a relative size of 0.01 to 1 μm. In both electrodes, the pore size distribution is 0.03 to 10 μm, and macro-sized pores of 50 nm or more are mainly distributed. The electrode layer has a specific surface area of 5 to 100 m 2 / g.

実験例6.水電解単一セルの性能分析
前記製造例で製造された水電解スタックを介して、前記実施例1乃至5の複合電極一体型分離板が適用された水電解単一セルの性能(電圧、電流密度)を、25wt%KOH、80℃、1bar、分離膜厚さ460μmの条件で分析し、その結果を図11(X軸は電流密度であって、水素と酸素の発生密度に比例し、Y軸は電流密度に対応する電圧を意味する)に示した。
Experimental Example 6. Performance analysis of water electrolysis single cell Performance (voltage, current) of the water electrolysis single cell to which the composite electrode integrated separator of Examples 1 to 5 is applied through the water electrolysis stack produced in the above production example. Density) was analyzed under the conditions of 25 wt% KOH, 80 ° C., 1 bar, and separation film thickness of 460 μm, and the result is shown in FIG. 11 (the X axis is current density, which is proportional to the generation density of hydrogen and oxygen, The axis indicates the voltage corresponding to the current density).

図11を参照すると(Case1:実施例1、Case2:実施例2、Case3:実施例3、Case4:実施例4)、実施例1の場合は、200mA/cmで1.53V、97%効率(HHV(Higher Heating Value)基準)を達成し、1.95V、76%効率(HHV基準)を達成して、従来のギャップ(gap)型アルカリ水電解スタックの70%効率(HHV)を示すのに比べて向上したことを確認することができる。陰極面に活性触媒層を追加コーティングした実施例2の場合は、200mA/cmで1.79V、82%効率(HHV基準)、陽極と陰極面のいずれにもさらに活性触媒層をコーティングした実施例3(Case3)の場合は、200mA/cmで1.60V、92%効率(HHV基準)を達成し、600mA/cmで1.82V、81%効率(HHV基準)を達成した。ニッケル−鉄水酸化物陽極を適用した実施例4(Case4)の場合は、200mA/cmで実施例3よりもさらに高い1.53V、97%効率(HHV(Higher Heating Value)基準)を達成し、600mA/cmでは実施例3と類似の1.83V、80%効率(HHV基準)を達成した。これは、低電流(200mA/cm)で50乃至70効率%(HHV基準)を示す従来のアルカリ水電解システムに比べて著しく向上したことを確認することができる。 Referring to FIG. 11 (Case 1: Example 1, Case 2: Example 2, Case 3: Example 3, Case 4: Example 4), in the case of Example 1, 1.53V, 97% efficiency at 200 mA / cm 2. (HHV (Higher Heating Value) standard) is achieved, 1.95V, 76% efficiency (HHV standard) is achieved, and 70% efficiency (HHV) of the conventional gap type alkaline water electrolysis stack is shown. It can be confirmed that there is an improvement compared to. In the case of Example 2 in which an active catalyst layer was additionally coated on the cathode surface, 1.79 V at 200 mA / cm 2 , 82% efficiency (HHV standard), and the active catalyst layer was further coated on both the anode and cathode surfaces. In the case of Example 3 (Case 3), 1.60 V and 92% efficiency (HHV standard) were achieved at 200 mA / cm 2 , and 1.82 V and 81% efficiency (HHV standard) were achieved at 600 mA / cm 2 . In the case of Example 4 (Case 4) to which a nickel-iron hydroxide anode was applied, 1.53 V and 97% efficiency (HHV (Higher Heating Value) standard) higher than Example 3 was achieved at 200 mA / cm 2. At 600 mA / cm 2 , the same 1.83 V and 80% efficiency (HHV standard) as in Example 3 was achieved. This can be confirmed to be a significant improvement over the conventional alkaline water electrolysis system showing 50 to 70% efficiency (HHV standard) at low current (200 mA / cm 2 ).

一方、実施例5の場合は、実施例3と同様の結果を示した。これは、リン酸塩皮膜形成によって水電解性能に影響を及ぼさず、且つ後述する電極の耐久性を向上させる。   On the other hand, in the case of Example 5, the same result as Example 3 was shown. This does not affect the water electrolysis performance by the formation of the phosphate film, and improves the durability of the electrode described later.

実験例7.電極の腐食評価
実施例5における陽極(Ni−Fe−Zn−P)に対して、アルカリ水電解システムの作動環境である80℃の強アルカリ(30%KOH)溶液内で電圧ポテンシャルの変化による電極の腐食評価結果を図12に示した。
Experimental Example 7. Electrode Corrosion Evaluation With respect to the anode (Ni—Fe—Zn—P) in Example 5, the electrode due to the change in voltage potential in a strong alkali (30% KOH) solution at 80 ° C., which is the operating environment of the alkaline water electrolysis system The corrosion evaluation results for are shown in FIG.

図12を参照すると、亜鉛を浸出したNi0.7Fe0.2Zn0.1電極に比べてリン酸塩で皮膜処理したNi0.65Fe0.2Zn0.10.05電極の場合、腐食電流(corrosion current)が約10−3A/cmと100倍以上向上した。 Referring to FIG. 12, a Ni 0.65 Fe 0.2 Zn 0.1 P 0.05 electrode coated with phosphate as compared to a zinc-leached Ni 0.7 Fe 0.2 Zn 0.1 electrode. In this case, the corrosion current was about 10 −3 A / cm 2 , an improvement of 100 times or more.

リン酸塩で皮膜処理された電極を適用した水電解システムは、再生可能エネルギーの出力に対する変動性を減らすために水電解システムを連携したので、オン/オフ(on/off)繰り返し運転に対する安定性を確保して太陽光または風力などの間欠的再生可能エネルギーとの連携を可能にすることができる。また、余剰電力を活用して水素製造を介して長時間、大容量エネルギーの保存に水電解装置を利用することを可能にする。   The water electrolysis system that uses phosphate-coated electrodes has been linked to the water electrolysis system to reduce variability in the output of renewable energy, so it is stable against repeated on / off operations. Can be ensured to enable cooperation with intermittent renewable energy such as sunlight or wind power. It also makes it possible to use a water electrolysis apparatus for storing large-capacity energy for a long time through hydrogen production using surplus power.

実験例8.電極の耐久性評価
実施例5で製造されたリン酸塩で被覆した陽極Ni0.65Fe0.2Zn0.10.05(電極厚さ:25乃至100μm)に対して耐久性評価(CC、VC、RCC)を行ったとともに、対照群として、リン酸塩で被覆していないNi0.5Fe0.4Zn0.1、Ni0.7Fe0.2Zn0.1及びNi0.6Co0.1Zn0.3の組成を有する電極(厚さ5乃至100μm)に対して耐久性評価を行い、その結果を図13に示した。
Experimental Example 8. Durability evaluation of electrode Durability evaluation for the anode Ni 0.65 Fe 0.2 Zn 0.1 P 0.05 (electrode thickness: 25 to 100 μm) coated with the phosphate prepared in Example 5 (CC, VC, RCC) were performed, and as a control group, Ni 0.5 Fe 0.4 Zn 0.1 , Ni 0.7 Fe 0.2 Zn 0.1 not coated with phosphate, and Durability evaluation was performed on an electrode (thickness 5 to 100 μm) having a composition of Ni 0.6 Co 0.1 Zn 0.3 , and the result is shown in FIG.

図13を参照すると、リン酸塩で被覆した電極である厚さ25乃至100μmのNi0.7Fe0.2Zn0.1P電極は、CC、VC及びRCCのいずれの場合にも、過電圧が約325mV以下である。これは、アルカリ水電解陽極の耐久性の効率が約79%以上を維持することを意味する(1.230V/1.555V≒79%)。 Referring to FIG. 13, the Ni 0.7 Fe 0.2 Zn 0.1 P electrode having a thickness of 25 to 100 μm, which is an electrode covered with phosphate, is overvoltage in any of CC, VC and RCC. Is about 325 mV or less. This means that the durability efficiency of the alkaline water electrolysis anode is maintained at about 79% or more (1.230V / 1.555V≈79%).

以上、本発明の内容の特定の部分を詳細に記述したので、当業分野における通常の知識を有する者にとって、このような具体的技術は好適な実施様態に過ぎず、これらの実施様態によって本発明の範囲が限定されるものではないことは明らかである。よって、本発明の実質的な範囲は、添付された請求の範囲とそれらの等価物によって定義されるといえる。   As described above, specific parts of the contents of the present invention have been described in detail. For those skilled in the art, such a specific technique is only a preferred embodiment, and according to these embodiments, the present invention is described. Obviously, the scope of the invention is not limited. Thus, the substantial scope of the present invention will be defined by the appended claims and equivalents thereof.

100a、100b 水電解用複合電極一体型分離板
110 伝導性部材
130 流路部
150 反応部
100a, 100b Composite electrode integrated separator for water electrolysis 110 Conductive member 130 Flow path part 150 Reaction part

Claims (7)

板(plate)状の伝導性部材と、
前記伝導性部材の一面または両面に形成される流路部と、
前記一面または両面に形成された流路部を除く領域に電極層が形成された反応部とを含む、水電解用複合電極一体型分離板。
A plate-like conductive member;
A channel portion formed on one or both surfaces of the conductive member;
A composite electrode-integrated separator for water electrolysis, comprising: a reaction part having an electrode layer formed in a region excluding the flow path part formed on the one or both surfaces.
前記流路部が前記伝導性部材の表面から1mm以下の深さに形成されることを特徴とする、請求項1に記載の水電解用複合電極一体型分離板。   The composite electrode-integrated separator for water electrolysis according to claim 1, wherein the flow path part is formed to a depth of 1 mm or less from the surface of the conductive member. 前記電極層が、ニッケル(Ni)、Ni−Zn、Ni−Zn−P、Ni−Fe−Zn、Ni−Fe−Zn−P、及びニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))よりなる群から選択される少なくとも一つであることを特徴とする、請求項1に記載の水電解用複合電極一体型分離板。 The electrode layer is made of nickel (Ni), Ni-Zn, Ni-Zn-P, Ni-Fe-Zn, Ni-Fe-Zn-P, and nickel-iron hydroxide ((Ni, Fe) (OH). 2. The composite electrode-integrated separator for water electrolysis according to claim 1, wherein the separator is at least one selected from the group consisting of 2 ). 前記電極層において、
陽極(anode)はNi、Ni−Fe−Zn、Ni−Fe−Zn−Pまたはニッケル−鉄水酸化物((Ni、Fe)(OH))であり、
陰極(cathode)はNi、Ni−ZnまたはNi−Zn−Pであることを特徴とする、請求項3に記載の水電解用複合電極一体型分離板。
In the electrode layer,
The anode is Ni, Ni—Fe—Zn, Ni—Fe—Zn—P or nickel-iron hydroxide ((Ni, Fe) (OH) 2 );
The composite electrode integrated separator for water electrolysis according to claim 3, wherein the cathode is Ni, Ni-Zn, or Ni-Zn-P.
前記電極層は、比表面積が5乃至100m/gであり、気孔サイズが0.03乃至10μmであることを特徴とする、請求項3に記載の水電解用複合電極一体型分離板。 4. The composite electrode integrated separator for water electrolysis according to claim 3, wherein the electrode layer has a specific surface area of 5 to 100 m 2 / g and a pore size of 0.03 to 10 μm. 前記電極層が垂直配向の多孔性構造を持つことを特徴とする、請求項3に記載の水電解用複合電極一体型分離板。   The composite electrode integrated separator for water electrolysis according to claim 3, wherein the electrode layer has a vertically oriented porous structure. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の水電解用複合電極一体型分離板とメンブレインで構成された単位セルを1つまたは2つ以上含む、水電解スタック。   A water electrolysis stack comprising one or two or more unit cells composed of the composite electrode integrated separator for water electrolysis according to any one of claims 1 to 6 and a membrane.
JP2019098533A 2018-05-28 2019-05-27 Water electrolysis composite electrode integrated separation plate and water electrolysis stack Active JP6956144B2 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180060549A KR102123840B1 (en) 2018-05-28 2018-05-28 Unitizied bipolar plate with electrodes for water electolysis and water electrolyzer
KR10-2018-0060549 2018-05-28

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2019206755A true JP2019206755A (en) 2019-12-05
JP6956144B2 JP6956144B2 (en) 2021-10-27

Family

ID=68767478

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019098533A Active JP6956144B2 (en) 2018-05-28 2019-05-27 Water electrolysis composite electrode integrated separation plate and water electrolysis stack

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP6956144B2 (en)
KR (1) KR102123840B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3868707A1 (en) * 2020-02-19 2021-08-25 2706649 Ontario Ltd Hydrogen developing body and process of making the same
JP7446353B2 (en) 2022-03-16 2024-03-08 本田技研工業株式会社 electrolytic cell
JP7446354B2 (en) 2022-03-16 2024-03-08 本田技研工業株式会社 electrolytic cell

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102426772B1 (en) * 2020-11-13 2022-07-28 한국에너지기술연구원 Pressurized electrolysis cell frame for reducing shunt currents
KR102570219B1 (en) 2021-06-04 2023-08-25 주식회사 씨엔엘에너지 Bipolar plate and method for manufacturing the same
KR20240020867A (en) 2022-08-09 2024-02-16 주식회사 씨엔엘에너지 Membrane Electrolyte Assembly for Alkaline Water Electrolysis and Method for manufacturing the same
KR102628206B1 (en) 2023-06-08 2024-01-23 주식회사 씨엔엘에너지 Bipolar plate and water electrolysis cell having the same

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6213588A (en) * 1985-07-12 1987-01-22 Toyo Soda Mfg Co Ltd Production of highly durable activated electrode
JP2010053401A (en) * 2008-08-28 2010-03-11 Honda Motor Co Ltd Separator for electrolyzer and method for manufacturing the same
JP2014201810A (en) * 2013-04-08 2014-10-27 オーエム産業株式会社 Electrode for hydrogen generation and electrolysis using the same

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100405163B1 (en) 2001-05-08 2003-11-12 키펙스솔루션스 주식회사 Electrolyser
KR200285556Y1 (en) * 2002-05-17 2002-08-13 김우섭 Electrolyzer
KR200389368Y1 (en) 2005-04-06 2005-07-14 한국에너지기술연구원 High quality hydrogen and oxygen generating device using solid polymer electrolyte electrolysis
KR101326120B1 (en) * 2010-08-18 2013-11-06 (주)엘켐텍 Electrolysis Module and Oxygen Generator with the Same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6213588A (en) * 1985-07-12 1987-01-22 Toyo Soda Mfg Co Ltd Production of highly durable activated electrode
JP2010053401A (en) * 2008-08-28 2010-03-11 Honda Motor Co Ltd Separator for electrolyzer and method for manufacturing the same
JP2014201810A (en) * 2013-04-08 2014-10-27 オーエム産業株式会社 Electrode for hydrogen generation and electrolysis using the same

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3868707A1 (en) * 2020-02-19 2021-08-25 2706649 Ontario Ltd Hydrogen developing body and process of making the same
JP7446353B2 (en) 2022-03-16 2024-03-08 本田技研工業株式会社 electrolytic cell
JP7446354B2 (en) 2022-03-16 2024-03-08 本田技研工業株式会社 electrolytic cell

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190135274A (en) 2019-12-06
KR102123840B1 (en) 2020-06-18
JP6956144B2 (en) 2021-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6956144B2 (en) Water electrolysis composite electrode integrated separation plate and water electrolysis stack
US20200373586A1 (en) Highly corrosion-resistant porous metal body
Krstajić et al. Non-noble metal composite cathodes for hydrogen evolution. Part II: The Ni–MoO2 coatings electrodeposited from nickel chloride–ammonium chloride bath containing MoO2 powder particles
JP6663584B2 (en) Porous metal body, fuel cell, and method for manufacturing porous metal body
US8377567B2 (en) Highly corrosion-resistant porous metal member
EP3333947A1 (en) Metal porous body, fuel cell, and method for manufacturing metal porous body
KR20110106303A (en) Electrode suitable as hydrogen-evolving cathode
CN110284167A (en) A kind of electro-deposition method preparing foam nickel-molybdenum alloy
CN110284166A (en) A kind of electro-deposition method preparing foam nickel-molybdenum alloy
Xu et al. Porous nickel electrodes with controlled texture for the hydrogen evolution reaction and sodium borohydride electrooxidation
Ebrahimifar et al. Influence of electrodeposition parameters on the characteristics of Mn–Co coatings on Crofer 22 APU ferritic stainless steel
JPS63900B2 (en)
CN114622238B (en) Preparation and application of transition metal-based hydrogen and oxygen evolution dual-functional electrode
JP5735265B2 (en) Method for producing porous metal body having high corrosion resistance
CN109786800A (en) Using the hot recycling ammonia battery and preparation method of the Ni-based copper-plating electrode of foam
EP0129231A1 (en) A low hydrogen overvoltage cathode and method for producing the same
CN113130957A (en) Thermal regeneration ammonia battery adopting graded porous surface composite electrode and preparation method
JP5635382B2 (en) Method for producing porous metal body having high corrosion resistance
WO2019004580A1 (en) Method for manufacturing vertically-oriented porous electrode for generating hydrogen and oxygen
CN110284168A (en) A kind of electric depositing solution formula preparing foam nickel-molybdenum alloy
Zeng et al. Electrodeposition of Ni-Mo-P alloy coatings
van Beek Exploring electrodeposition as a versatile method to synthesize porous electrodes for redox flow batteries
CHAE et al. Effect of Electroplating Parameters on Oxygen Evolution Reaction Characteristics of Raney Ni-Zn-Fe Electrode
Tang et al. Electrodeposited large-area nickel-alloy electrocatalysts for alkaline hydrogen evolution under industrially relevant conditions
WO2019106879A1 (en) Metallic porous body, fuel cell, and method for producing metallic porous body

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20190527

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200407

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20200706

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20200929

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20201202

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20210511

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20210519

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20210914

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20211004

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6956144

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150