KR101355543B1 - The electrochemical stack equipped with metal foam and method of metal foam - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메탈폼의 제조방법 및 이 메탈폼이 구비된 전기화학 스택에 관한 것으로, 바인더인 Polyethylene과 Carboxyl Methyl Cellulose를 물에 녹여 혼합액을 제조하는 제1단계; 상기 혼합액에 메탈 파우더를 첨가하여 혼합하는 제2단계; 상기 메탈 파우더가 혼합된 혼합액에 thickener를 첨가하여 교반 후 슬러리를 제조하는 제3단계; 템플레이트 폼을 상기 슬러리에 함침시키는 제4단계; 함침된 상기 템플레이트 폼을 건조시키는 제5단계; 상기 템플레이트 폼을 압착하여 과량의 슬러리는 제거하는 제6단계; 과량의 슬러리가 제거된 상기 템플레이트 폼을 건조하는 제7단계; 및 건조된 상기 템플레이트 폼을 일정온도로 가열하여 상기 템플레이트 폼을 제거하는 제8단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 위 전기화학 스택의 분리판 및 전류 공급판 사이에는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조되는 메탈폼이 구비되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a method for producing a metal foam and an electrochemical stack provided with the metal foam, the first step of preparing a mixed solution by dissolving a binder of polyethylene and Carboxyl Methyl Cellulose in water; A second step of adding and mixing the metal powder to the mixed solution; A third step of preparing a slurry after stirring by adding a thickener to the mixed solution of the metal powder; A fourth step of impregnating template foam into the slurry; A fifth step of drying the impregnated template foam; Compressing the template foam to remove excess slurry; A seventh step of drying the template foam from which excess slurry is removed; And an eighth step of removing the template foam by heating the dried template foam to a predetermined temperature, and between the separator plate and the current supply plate of the electrochemical stack. It is characterized in that the metal foam is prepared according to.

Description

메탈폼의 제조방법 및 이 메탈폼이 구비된 전기화학 스택{The electrochemical stack equipped with metal foam and method of metal foam}The electrochemical stack equipped with metal foam and method of metal foam

본 발명은 메탈폼의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조되는 메탈폼이 분리판 및 전류 공급판 사이에 구비된 전기화학 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing metal foam and an electrochemical stack in which the metal foam produced by the method is provided between a separator plate and a current supply plate.

이를 통해, 전기화학 스택의 구성요소 간의 접촉저항을 감소시킬 수 있으며 이는 결국 물 전기분해에서 생산되는 수소 제조원가를 효과적으로 줄일 수 있는 기술에 관한 것이다.
Through this, it is possible to reduce the contact resistance between the components of the electrochemical stack, which relates to a technology that can effectively reduce the hydrogen production cost produced in the water electrolysis.

전기화학 셀은 에너지변환 장치로서, 예를 들면 물과 같은 반응물을 이용하여 산소나 수소 가스를 만드는 전기분해 셀과, 산소와 수소 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지로 구분한다.An electrochemical cell is an energy conversion device. For example, an electrochemical cell is classified into an electrolysis cell that generates oxygen or hydrogen gas using a reactant such as water, and a fuel cell that generates electricity using oxygen and hydrogen fuel.

도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기분해 단위 셀의 구조도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 물(H20)이 양극촉매(104)(산소극)로 공급되면 전기화학 반응에 의해 산소가스(O2)와 전자(e-) 그리고 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해된다. 이때, 물(H20)의 일부분은 산소가스(O2)와 함께 전기분해 셀(100)의 생성물 배출구(126)를 통해 외부로 유출된다. 그리고 분해된 수소이온(H+)은 이온 교환막(102)을 통과하여 음극촉매(106)(수소극)로 이동하여, 양극촉매(104)와 음극촉매(106) 사이에 연결된 외부회로(도시하지 않음)를 따라 이동한 전자(e-)와 반응하여 수소가스(H2)가 된다. 그리고 수소가스(H2) 및 수소이온(H+)과 동반하여 이온 교환막(102)을 통과한 물(H20)은 전기분해 셀(100)의 생성물 배출구(124)를 통해 외부로 유출된다. 이때, 양극촉매(104)와 음극촉매(106)에서 각각 일어나는 전기화학적 반응을 표현하면 반응식 1, 2와 같다.1 is a structural diagram of a typical electrolysis unit cell electrochemically decomposing water to produce hydrogen gas and oxygen gas. 1, when water (H 2 O) is supplied to the anode catalyst 104 (oxygen electrode), oxygen gas (O 2 ), electrons (e - ) and hydrogen ions (H + (Proton). At this time, a portion of the water H 2 0 is discharged to the outside through the product outlet 126 of the electrolysis cell 100 together with the oxygen gas (O 2 ). The decomposed hydrogen ions H + pass through the ion exchange membrane 102 and move to the anode catalyst 106 (the hydrogen electrode) and are connected to an external circuit (not shown) connected between the anode catalyst 104 and the anode catalyst 106 (E - ) which travels along the path (not shown) and becomes hydrogen gas (H 2 ). In addition, the water (H 2 0) passing through the ion exchange membrane 102 together with the hydrogen gas (H 2 ) and the hydrogen ions (H + ) flows out through the product outlet 124 of the electrolysis cell 100. . At this time, the electrochemical reactions occurring in the anode catalyst 104 and the anode catalyst 106 are expressed as in equations (1) and (2).

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

2H2O → 4H+ + 4e- + O2 (양극)2H 2 O? 4H + + 4e - + O 2 (anode)

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

4H+ + 4e- → 2H2 (음극)4H + + 4e - → 2H 2 (cathode)

연료전지에서는 상기 물의 전기분해 반응 메커니즘과 반대로 반응이 일어난다. 즉, 연료전지에서는 수소, 메탄올(methanol) 또는 다른 수소 연료원과 산소가 반응하여 전기를 생산한다. 이때, 연료전지에서 일어나는 일반적인 반응을 표현하면 반응식 3, 4와 같다.In a fuel cell, a reaction occurs in opposition to the electrolysis reaction mechanism of the water. That is, in a fuel cell, hydrogen, methanol or other hydrogen fuel source reacts with oxygen to produce electricity. At this time, the general reaction occurring in the fuel cell is expressed by equations (3) and (4).

[반응식 3]Scheme 3

2H2 → 4H+ + 4e- (양극)2H 2 ? 4H + + 4e - (anode)

[반응식 4][Reaction Scheme 4]

4H+ + 4e- + O2 → 2H2O (음극)4H + + 4e - + O 2 - > 2H 2 O (cathode)

전기분해 셀(100)을 물을 전기분해하는 전기분해 셀로 이용된다면 약 0.05A/cm2 - 4.3A/cm2의 전류밀도에서 약 1.48volts - 3.0 volts의 전압을 인가하고, 전기분해셀(100)을 연료전지로 이용된다면 약 0.0001A/cm2 - 1.0A/cm2의 전류밀도와 약 0.4volts - 1.1volts의 전압을 얻을 수 있다. If the use of the electrolytic cell 100, the electrolytic cell for electrolysis of water of about 0.05A / cm 2 - 4.3A / cm 2 at a current density of about 1.48volts - applying a voltage of 3.0 volts, and the electrolysis cell (100 ) If the use of a fuel cell around 0.0001A / cm 2 - a current density of 1.0A / cm 2 and about 0.4volts - it is possible to obtain a voltage of 1.1volts.

여기서 이온 교환막(102)의 양 측면에 양극촉매(104)와 음극촉매(106)가 형성된 것을 막전극접합체(101, Membrane Electrode Assembly, 이하 'MEA'라 칭함)라고 한다. Herein, the anode catalyst 104 and the cathode catalyst 106 formed on both sides of the ion exchange membrane 102 are referred to as a membrane electrode assembly 101 (hereinafter, referred to as 'MEA').

단위 전기분해 셀(100)은 MEA(101), 전자 이동과 반응물 및 생성물의 공급과 배출의 기능을 가지는 분리판(112, 114), 제1, 제2 전류 공급판(108, 110), 그리고 실링목적의 가스켓(120)으로 구성된다.The unit electrolysis cell 100 includes a MEA 101, separators 112 and 114 having functions of electron transfer and supply and discharge of reactants and products, first and second current supply plates 108 and 110, and It consists of a gasket 120 for sealing purposes.

상기 MEA(101) 및 분리판(112, 114)의 상단 및 하단에는 반응물의 공급을 위한 공급로(112)와 생성물의 배출을 위한 배출로(124, 126)가 있다. At the upper and lower ends of the MEA 101 and the separator plates 112 and 114, there are supply paths 112 for supplying reactants and discharge paths 124 and 126 for discharging products.

제1, 제2 전류 공급판(108, 110)은 전극촉매(104, 106)와 분리판(112, 114) 사이에 위치하며, 크기는 전극촉매(104, 106)와 동일하다. 제1, 제2 전류 공급판(108,110)은 전해질(예를 들면, 물)을 MEA(101)에 균등하게 공급하고, 전극촉매(104, 106)에서 발생한 생성물(수소와 산소)을 분리판(112, 114)의 유로(116, 118)로 이동하게 하는 기능을 가진다. 따라서, 제1, 제2 전류 공급판(108, 110)의 구조는 다공체의 구조를 가지는 것이 바람직하다.The first and second current supply plates 108 and 110 are positioned between the electrode catalysts 104 and 106 and the separation plates 112 and 114, and the size is the same as those of the electrode catalysts 104 and 106. The first and second current supply plates 108 and 110 supply the electrolyte (for example, water) to the MEA 101 evenly, and the products (hydrogen and oxygen) generated in the electrode catalysts 104 and 106 are separated from the separator ( It has a function to move to the flow paths 116 and 118 of 112 and 114. FIG. Therefore, it is preferable that the structure of the 1st, 2nd current supply plates 108 and 110 has a structure of a porous body.

분리판(112, 114)에는 단위 전기화학 셀 사이의 분리 기능을 가지며, 또한 반응물 및 생성물의 유체의 유동을 돕는 유로(Flow Field)(116, 118)를 가진다. 분리판(112)의 유동통로(116)에 반응물(예를 들면, 물)이 공급되면, 이와 접촉하는 MEA(101)의 전극촉매(104)측은 양극(산화 전극, Anode)이 되며, 타측 분리판(114)의 유동통로(118)에는 생성물(예를 들면, 수소)과 양극측에서 이동한 물이 유동하고, 이와 접촉하는 MEA(101)의 전극촉매(106)는 음극(환원 전극, Cathode)이 된다.Separator plates 112 and 114 have a separation function between unit electrochemical cells and also have flow fields 116 and 118 to assist in the flow of fluids of reactants and products. When a reactant (for example, water) is supplied to the flow passage 116 of the separator plate 112, the electrode catalyst 104 side of the MEA 101 in contact with the flow path becomes the anode (anode electrode) The product (for example, hydrogen) and the water moved on the anode side flow into the flow passage 118 of the plate 114 and the electrode catalyst 106 of the MEA 101 in contact with the flow channel 118 flows into the cathode ).

도 2는 전형적인 전기화학 단위 셀을 적층한 스택과 관련한 구성관계를 도시한 개략도이다. 여기서 스택이란 원하는 가스, 예를 들면 수소 또는 산소를 다량으로 얻기 위해서는 복 수개의 단위 전기화학 셀을 적층하는데, 단위 전기화학 셀을 적층한 것을 스택이라고 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스택(200)은 도 1에서 언급한 전기화학 단위셀(202, 도 1의 100)이 일렬로 다수 개 적층되는 형태를 갖도록 배열하고, 배열의 외측 양쪽에는 전류를 공급하기 위한 한 쌍의 전류 공급판(204), 스택을 지지하고 전기화학 단위 셀 간에 밀착을 목적으로 비전도성 재질의 앤드 플레이트(206,end plate)로 구성되며, 이들은 볼트(208)와 너트(210)로 조이는 타이로드(tie-rod) 방식으로 조립된다. 스택(200) 내부의 각각의 전기화학 단위 셀(202)에는 반응물을 공급하는 반응물 공급라인(212)과 생성물의 배출을 위한 생성물 배출라인(214)이 구비된다.2 is a schematic diagram illustrating a configuration relationship related to a stack in which a typical electrochemical unit cell is stacked. Here, the stack means stacking a plurality of unit electrochemical cells in order to obtain a desired gas, for example, hydrogen or oxygen in a large amount, and a stack of unit electrochemical cells is called a stack. As shown in FIG. 2, the stack 200 is arranged in such a manner that a plurality of electrochemical unit cells 202 (100 in FIG. 1) mentioned in FIG. 1 are stacked in a row, and currents are provided on both sides of the array. A pair of current supply plates 204 for supply, consisting of end plates 206 of non-conductive material for supporting the stack and for close contact between the electrochemical unit cells, which are bolts 208 and nuts ( The tightening to 210 is assembled in a tie-rod manner. Each electrochemical unit cell 202 within the stack 200 is equipped with a reactant supply line 212 for supplying a reactant and a product discharge line 214 for discharging the product.

전류 공급판(204)은 구리 재질과 같은 전도성이 뛰어난 금속으로 제작되어 전류를 공급하는 기능을 가지는 것 외에, 다수의 단위 셀(202)을 고정하는 플레이트의 역할도 한다. 공급라인(210)에 반응물(예를 들면 물)이 공급되면서, 전류 공급판(204)에 전류를 인가하면 각각 전기화학 단위 셀(202)에서 전기화학 반응이 일어나게 된다.The current supply plate 204 is made of a metal having excellent conductivity such as copper, and has a function of supplying current, and also serves as a plate for fixing the plurality of unit cells 202. When a reactant (eg, water) is supplied to the supply line 210, when a current is applied to the current supply plate 204, an electrochemical reaction occurs in the electrochemical unit cell 202, respectively.

일반적으로 스택에 적용되는 단일셀의 적층 수는 약 100개 내외로 구성되며, 단일셀이 최소 6개의 구성요소로 이루어져 있으므로, 스택을 조립할 때 수백 개의 구성요소가 전기적으로 접촉 저항이 커지지 않도록 접촉이 일어나야 하고, 또한 반응물 또는 생성물이 누설되지 않도록 주의를 하여야 한다.In general, the number of stacks of single cells applied to a stack is about 100 or so, and since a single cell is composed of at least six components, hundreds of components are not in contact with each other so that the contact resistance is not large when the stack is assembled. Must be taken and care must be taken not to leak the reactants or products.

이는 스택의 각 구성요소 간 접촉저항이 증가하면 전압손실이 크게 발생하고 이 전압 손실은 물 전기분해를 통해 생산되는 수소의 제조 원가를 크게 상승시키는 문제로 작용한다.
This causes a large voltage loss as the contact resistance between the components of the stack increases, which causes a problem of significantly increasing the production cost of hydrogen produced through water electrolysis.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 전기화학 스택을 구성할 때 접촉저항이 최소화되도록 전기화학 셀 내에 구비되는 메탈폼, 이의 제조방법 및 이 제조방법에 의해 제조된 메탈폼이 구비된 전기화학 스택의 제공을 일 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above-described problems, the metal foam is provided in the electrochemical cell to minimize the contact resistance when configuring the electrochemical stack, a manufacturing method thereof and the metal foam produced by the manufacturing method is provided It is an object of the present invention to provide an electrochemical stack.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 목적 달성을 위한 메탈폼의 제조방법은 바인더인 Polyethylene과 Carboxyl Methyl Cellulose를 물에 녹여 혼합액을 제조하는 제1단계; 상기 혼합액에 티타늄 합금 분말로 입도 사이즈 20㎛이하의 구형 파우더로 이루어진 메탈 파우더를 첨가하여 혼합하는 제2단계; 상기 메탈 파우더가 혼합된 혼합액에 thickener를 첨가하여 교반 후 슬러리를 제조하는 제3단계; 템플레이트 폼을 상기 슬러리에 함침시키는 제4단계; 함침된 상기 템플레이트 폼을 건조시키는 제5단계; 상기 템플레이트 폼을 압착하여 슬러리를 제거하는 제6단계; 상기 슬러리가 제거된 상기 템플레이트 폼을 건조하는 제7단계; 및 상기 제7단계에서 건조된 상기 템플레이트 폼을 일정온도로 가열하여 상기 템플레이트 폼을 제거하는 제8단계;를 포함한다.Method for producing a metal foam for achieving the object of the present invention comprises the first step of preparing a mixed solution by dissolving a binder of polyethylene and Carboxyl Methyl Cellulose in water; A second step of adding and mixing the metal powder made of a spherical powder having a particle size of 20 μm or less with the titanium alloy powder to the mixed solution; A third step of preparing a slurry after stirring by adding a thickener to the mixed solution of the metal powder; A fourth step of impregnating template foam into the slurry; A fifth step of drying the impregnated template foam; A sixth step of pressing the template foam to remove the slurry; A seventh step of drying the template foam from which the slurry is removed; And an eighth step of removing the template form by heating the template form dried in the seventh step to a predetermined temperature.

삭제delete

바람직하게는 상기 템플레이트 폼은 Polyurethane 폼인 것을 특징으로 한다.Preferably the template foam is characterized in that the polyurethane foam.

바람직하게는 상기 제7단계는 30℃의 오븐에서 24시간 건조되는 것을 특징으로 한다.Preferably the seventh step is characterized in that the drying for 24 hours in an oven at 30 ℃.

바람직하게는 상기 제8단계는 600℃에서 1시간 동안 가열하여 상기 템플레이트 폼을 제거하고, 1250℃에서 2시간 유지되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the eighth step is characterized in that the template foam is removed by heating at 600 ° C. for 1 hour and maintained at 1250 ° C. for 2 hours.

바람직하게는 상기 메탈폼의 공극률은 상기 메탈폼의 전체 부피대비 70 ~ 90%인 것을 특징으로 한다.Preferably, the porosity of the metal foam is 70 to 90% of the total volume of the metal foam.

한편, 본 발명의 목적 달성을 위한 전기화학 스택은 이온교환막의 일 측에 양극촉매가 형성되고, 타 측에 음극촉매가 형성된 막전극접합체; 상기 막전극접합체의 양측에 구비되며, 전자 이동, 반응물 및 생성물의 공급과 배출기능을 수행하는 분리판; 상기 분리판의 일 측에 구비되는 전류 공급판; 및 상기 분리판과 상기 전류 공급판 사이에 구비되어 접촉저항을 감소시키기 위한 메탈폼;을 포함하고, 상기 메탈폼은 상술한 메탈폼의 제조방법에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 단위 전기화학 셀이 복 수개가 적층된다.
On the other hand, the electrochemical stack for achieving the object of the present invention is a membrane electrode assembly in which the anode catalyst is formed on one side of the ion exchange membrane, the cathode catalyst is formed on the other side; Separation plates provided at both sides of the membrane electrode assembly and performing electron transfer, supply and discharge of reactants and products; A current supply plate provided at one side of the separation plate; And a metal foam provided between the separator and the current supply plate to reduce contact resistance, wherein the metal foam is manufactured by the method of manufacturing the metal foam described above. A plurality of are stacked.

삭제delete

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.The present invention has the following excellent effects.

전기화학 스택을 구성할 때 본 발명에 따라 제조되는 메탈폼을 구비함으로써, 전기화확 스택의 구성요소 간 접촉저항을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 물 전기분해에서 생산되는 수소의 제조 원가를 감소시키는 우수한 효과가 있다.
When constructing an electrochemical stack, by providing a metal foam manufactured according to the present invention, it is possible to minimize the contact resistance between the components of the electrochemical stack, thereby reducing the production cost of hydrogen produced in water electrolysis It works.

도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전기화학 단위 셀의 구조도다.
도 2는 전형적인 전기화학 단위 셀을 적층한 스택의 개략도다.
도 3은 본 발명에 따른 메탈폼의 제조 공정도다.
도 4는 본 발명에 따른 메탈폼을 제작하기 위한 소결 사이클을 나타낸 도다.
도 5는 본 발명에 의해 제조된 메탈폼의 이미지다.
도 6은 본 발명에 따른 메탈폼이 적용된 전기분해 셀의 성능 그래프다. 1 is a structural diagram of an electrochemical unit cell electrochemically decomposing water to produce hydrogen gas and oxygen gas.
2 is a schematic representation of a stack of typical electrochemical unit cells.
3 is a manufacturing process of the metal foam according to the present invention.
Figure 4 illustrates a sintering cycle for producing a metal foam according to the present invention.
5 is an image of a metal foam produced by the present invention.
6 is a performance graph of the electrolysis cell to which the metal foam according to the present invention is applied.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. The term used in the present invention is a general term that is widely used at present. However, in some cases, there is a term selected arbitrarily by the applicant. In this case, the term used in the present invention It is necessary to understand the meaning.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

먼저, 본 발명의 일실시 예 따른 메탈폼의 제조 공정도인 도 3을 참조하여 설명한다.First, it will be described with reference to Figure 3 which is a manufacturing process diagram of a metal foam according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시 예에 따른 메탈폼의 제조방법은 바인더인 Polyethylene(PEG)과 Carboxyl Methyl Cellulose(CMC)를 물에 녹여 혼합액을 제조하는 제1단계, 상기 혼합액에 메탈 파우더를 첨가하여 혼합하는 제2단계, 상기 메탈 파우더가 혼합된 혼합액에 thickener를 첨가하여 교반 후 슬러리를 제조하는 제3단계, 템플레이트 폼을 상기 슬러리에 함침시키는 제4단계, 함침된 상기 템플레이트 폼을 건조시키는 제5단계, 상기 템플레이트 폼을 압착하여 과량의 슬러리는 제거하는 제6단계, 과량의 슬러리가 제거된 상기 템플레이트 폼을 건조하는 제7단계 및 건조된 상기 템플레이트 폼을 일정온도로 가열하여 상기 템플레이트 폼을 제거하는 제8단계를 포함한다.Method of manufacturing a metal foam according to an embodiment of the present invention is a first step of preparing a mixed solution by dissolving a binder of polyethylene (PEG) and Carboxyl Methyl Cellulose (CMC) in water, the first to add a metal powder to the mixed solution to mix Step 2, a third step of preparing a slurry after stirring by adding a thickener to the mixed solution mixed with the metal powder, a fourth step of impregnating the template foam in the slurry, a fifth step of drying the impregnated template foam, the A sixth step of pressing the template foam to remove excess slurry, a seventh step of drying the template foam from which the excess slurry is removed, and an eighth of heating the dried template foam to a predetermined temperature to remove the template foam Steps.

이때, 위 제1단계의 혼합액제조는 1시간 이상수행되는 것이 바람직하며, PEG 및 CMC는 본 발명의 일실시 예를 위한 물질로 반드시 이에 한정되는 것은 아니라 할 것이며 다양한 바인더를 이용할 수 있음은 물론이다. At this time, the mixed liquid preparation of the first step is preferably carried out for more than 1 hour, PEG and CMC is not necessarily limited to the material for one embodiment of the present invention, of course, it is possible to use a variety of binders. .

한편, 위 제2단계의 메탈 파우더는 다양한 메탈 파우더를 이용할 수 있음은 물론이나, 티타늄 합금 분말을 이용하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 입도 사이즈 20㎛이하의 구형 파우더로 이루어진 티타늄 합금 분말을 이용하여 제1단계의 혼합액에 2시간 이상 혼합하는 바람직하다.On the other hand, the metal powder of the second step can be used a variety of metal powder, of course, it is preferable to use a titanium alloy powder, most preferably using a titanium alloy powder made of spherical powder of particle size 20㎛ or less It is preferable to mix the mixed solution of the first step for 2 hours or more.

다음으로 제3단계는 티타늄 합금 분말이 혼합된 용액에 Thickener를 첨가하여 위 혼합액을 슬러리 상으로 만드는 단계이다. Next, the third step is to add Thickener to the solution mixed with titanium alloy powder to make the gas mixture into a slurry.

이때, Thickener란 용액의 점성물성을 증진시키기 위한 물질로 특정물질로 한정되지 아니하며, 다양한 Thickener를 이용할 수 있음은 물론이다. At this time, the Thickener is not limited to a specific material as a material for improving the viscosity of the solution, of course, can use a variety of Thickener.

아울러, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 위 Thickener를 첨가하여 1시간 동안 교반하는 것이 바람직하다.In addition, in a preferred embodiment of the present invention, it is preferable to add the Thickener and stir for 1 hour.

다음으로 제4단계는 제조된 슬러리에 템플레이트(template) 폼을 함침시키는 단계로, 이때 사용되는 템플레이트 폼은 크게 제한받지 아니하나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 Polyurethane 폼을 이용하여 향후 템플레이트 폼의 제거를 용이하게 하였다.Next, the fourth step is a step of impregnating a template (template) foam in the prepared slurry, the template foam used at this time is not greatly limited, in a preferred embodiment of the present invention using a polyurethane foam of the future template foam Removal was facilitated.

이후, 함침된 템플레이트 폼을 건조하는 제5단계로, 이는 다양한 방식 및 방법을 통해 건조가능하며, 특히 제4단계 및 제5단계는 위 템플레이트 폼에 슬러리가 충분히 스며들 수 있도록 반복적으로 수행되는 것이 바람직하다.Thereafter, as a fifth step of drying the impregnated template foam, which can be dried in various ways and methods, in particular, the fourth and fifth steps are repeatedly performed to sufficiently infiltrate the slurry into the template foam. desirable.

다음으로 함침 및 건조 단계가 반복적으로 수행된 템플레이트 폼에 존재하는 과량의 슬러리를 제거하는 제6단계는 다양한 방식 또는 방법을 통해 수행될 수 있음은 물론이나, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 롤러를 통한 압착을 통해 과량의 슬러리를 제거하였다.Next, the sixth step of removing the excess slurry present in the template foam in which the impregnation and drying steps are repeatedly performed may be performed through various methods or methods, but in one embodiment of the present invention, Excess slurry was removed through compression through.

그리고 제7단계는 과량의 슬러리가 제거된 템플레이트 폼을 건조하는 단계로, 본 발명의 일실시 예에 있어서는 30℃의 오븐에서 24시간 동안 수행하였다.And the seventh step is to dry the template foam from which the excess slurry is removed, in one embodiment of the present invention was carried out for 24 hours in an oven at 30 ℃.

마지막으로 위 제8단계는 슬러리가 스며든 템플레이트 폼을 일정온도로 가열하여 위 템플레이트 폼을 제거 최종의 메탈폼을 제조하는 공정으로, 본 발명의 일실시 예에 있어서 위 템플레이트 폼을 제거하기 위해 600℃에서 1시간 동안 가열하여 템플레이트 폼을 제거하였으며, 1250℃에서 2시간 동안 위 온도를 유지함으로써 최종의 메탈폼을 제조하였다.Finally, the eighth step is a process of preparing the final metal foam by removing the template foam by heating the template foam in which the slurry is soaked to a predetermined temperature. In one embodiment of the present invention, 600 is used to remove the template foam. The template foam was removed by heating at 1 ° C. for 1 hour, and the final metal foam was prepared by maintaining the stomach temperature at 1250 ° C. for 2 hours.

이때, 가열속도는 다양한 범위에서 수행될 수 있으나, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서는 1℃/min의 가열속도로 수행된다.At this time, the heating rate may be carried out in a variety of ranges, in a preferred embodiment of the present invention is carried out at a heating rate of 1 ℃ / min.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 제조되는 메탈폼은 위 템플레이트 폼의 제거를 통해 다공성의 메탈폼이 제조되는데, 이때 본 발명의 일실시 예에 따라 제조되는 메탈폼의 공극률은 바람직하게는 메탈폼의 전체 부피대비 70 ~ 90%인 것이 바람직하다.
On the other hand, the metal foam is prepared according to an embodiment of the present invention is a porous metal foam is prepared by the removal of the template foam, wherein the porosity of the metal foam is prepared according to an embodiment of the present invention is preferably a metal It is preferably 70 to 90% of the total volume of the foam.

이하에서는 본 발명의 일실시 예에 따라 제조된 메탈폼이 구비된 전기화학 스택에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter will be described in detail with respect to the electrochemical stack provided with a metal foam prepared according to an embodiment of the present invention.

먼저, 전기화학 스택이라 함은 도 1에 도시된 단위 셀이 복 수개(약 100개 내외)가 적층되어 도 2와 같은 구조를 갖는 것으로, 위 단위 셀은 도 1에 도시된 바와 같이 MEA(101), 전자 이동과 반응물 및 생성물의 공급과 배출의 기능을 가지는 분리판(112, 114), 제1, 제2 전류 공급판(108, 110), 그리고 실링 목적의 가스켓(120)으로 구성된다.First, an electrochemical stack is a plurality of unit cells shown in FIG. 1 (about 100 or so) are stacked and have a structure as shown in FIG. 2, the unit cell is shown in Figure 1 MEA (101) ), Separation plates 112 and 114 having functions of electron transfer and supply and discharge of reactants and products, first and second current supply plates 108 and 110, and gaskets 120 for sealing purposes.

이때, MEA(Membrane Electrode Assembly)(101)라 함은, 이온 교환막(102)의 양 측면에 양극촉매(104)와 음극촉매(106)가 형성된 것을 막전극접합체(101)를 의미하며, 본 발명의 일실시 예에 따른 전기화학 스택(200)은 상술한 메탈폼(도시되지 않음)이 위 분리판(112, 114)과 전류 공급판(108, 110) 사이에 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.In this case, MEA (Membrane Electrode Assembly) 101 means that the positive electrode catalyst 104 and the negative electrode catalyst 106 are formed on both sides of the ion exchange membrane 102, the membrane electrode assembly 101, the present invention The electrochemical stack 200 according to an embodiment of the present invention is characterized in that the above-described metal foam (not shown) is provided between the separator plates 112 and 114 and the current supply plates 108 and 110, respectively.

이를 통해 전기화학 스택을 구성할 때 본 발명에 따라 제조되는 메탈폼을 위 단위 셀의 분리판(112, 114)과 전류 공급판(108, 110)에 각각 구비함으로써, 전기화확 스택의 구성요소 간 접촉저항을 최소화할 수 있으며, 이를 통해 물 전기분해에서 생산되는 수소의 제조 원가를 감소시키는 우수한 효과가 있다.When the electrochemical stack is configured through this, the metal foam manufactured according to the present invention is provided on the separator plates 112 and 114 and the current supply plates 108 and 110 of the unit cell, respectively. The contact resistance can be minimized, thereby reducing the production cost of hydrogen produced in water electrolysis.

이에 대해 본 발명에 따른 메탈폼이 적용된 전기분해 셀의 성능 그래프인 도 6을 참조하면, 동일 전류밀도에서 본 발명의 실시 예에 따른 메탈폼이 적용된 전기분해 셀의 전압이 비교 예보다 훨씬 더 낮은 것을 알 수 있는데 이러한 결과는 결국 구성요소 간의 접촉저항이 낮아졌기 때문이다.
Referring to FIG. 6, which is a performance graph of the electrolysis cell to which the metal foam according to the present invention is applied, the voltage of the electrolysis cell to which the metal foam is applied according to the embodiment of the present invention is much lower than that of the comparative example at the same current density. It can be seen that this result is because the contact resistance between the components is lowered eventually.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications may be made by those skilled in the art.

100:전기분해 셀 101:막전극접합체 102:이온 교환막 104:전극촉매
106:전극촉매 108:제1전류 공급판 110:제2전류 공급판 112:분리판
114:분리판 116:유로 118:유로 120:가스켓 124:생성물 배출구 200:스택
202:전기화학 단위 셀 204:전류 공급판 206:앤드 플레이트 208:볼트
210:너트 212:반응물 공급라인 214:생성물 배출라인DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Electrolysis cell 101 Membrane electrode assembly 102 Ion exchange membrane 104 Electrode catalyst
106: electrode catalyst 108: first current supply plate 110: second current supply plate 112: separation plate
114: separator 116: euro 118: euro 120: gasket 124: product outlet 200: stack
202: electrochemical unit cell 204: current supply plate 206: end plate 208: bolt
210: nut 212: reactant supply line 214: product discharge line

Claims (8)

바인더인 Polyethylene과 Carboxyl Methyl Cellulose를 물에 녹여 혼합액을 제조하는 제1단계;
상기 혼합액에 티타늄 합금 분말로 입도 사이즈 20㎛이하의 구형 파우더로 이루어진 메탈 파우더를 첨가하여 혼합하는 제2단계;
상기 메탈 파우더가 혼합된 혼합액에 thickener를 첨가하여 교반 후 슬러리를 제조하는 제3단계;
템플레이트 폼을 상기 슬러리에 함침시키는 제4단계;
함침된 상기 템플레이트 폼을 건조시키는 제5단계;
상기 템플레이트 폼을 압착하여 슬러리를 제거하는 제6단계;
상기 슬러리가 제거된 상기 템플레이트 폼을 건조하는 제7단계; 및
상기 제7단계에서 건조된 상기 템플레이트 폼을 일정온도로 가열하여 상기 템플레이트 폼을 제거하는 제8단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈폼의 제조방법.
A first step of preparing a mixed solution by dissolving a binder of polyethylene and carboxyl methyl cellulose in water;
A second step of adding and mixing the metal powder made of a spherical powder having a particle size of 20 μm or less with the titanium alloy powder to the mixed solution;
A third step of preparing a slurry after stirring by adding a thickener to the mixed solution of the metal powder;
A fourth step of impregnating template foam into the slurry;
A fifth step of drying the impregnated template foam;
A sixth step of pressing the template foam to remove the slurry;
A seventh step of drying the template foam from which the slurry is removed; And
And an eighth step of removing the template form by heating the template form dried in the seventh step to a predetermined temperature.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 템플레이트 폼은 Polyurethane 폼인 것을 특징으로 하는 메탈폼의 제조방법.
The method of claim 1,
The template foam is a method for producing a metal foam, characterized in that the polyurethane foam.
제 1 항에 있어서,
상기 제7단계는 30℃의 오븐에서 24시간 건조되는 것을 특징으로 하는 메탈폼의 제조방법.
The method of claim 1,
The seventh step is a method for producing a metal foam, characterized in that the drying for 24 hours in an oven at 30 ℃.
제 1 항에 있어서,
상기 제8단계는 600℃에서 1시간 동안 가열하여 상기 템플레이트 폼을 제거하고, 1250℃에서 2시간 유지되는 것을 특징으로 하는 메탈폼의 제조방법.
The method of claim 1,
In the eighth step, the template foam is removed by heating at 600 ° C. for 1 hour, and maintained at 1250 ° C. for 2 hours.
제 1 항에 있어서,
상기 메탈폼의 공극률은 상기 메탈폼의 전체 부피대비 70 ~ 90%인 것을 특징으로 하는 메탈폼의 제조방법.
The method of claim 1,
The porosity of the metal foam is a method for producing a metal foam, characterized in that 70 to 90% of the total volume of the metal foam.
단위 전기화학 셀이 복 수개가 적층 된 전기화학 스택에 있어서,
상기 단위 전기화학 셀:은
이온교환막의 일 측에 양극촉매가 형성되고, 타 측에 음극촉매가 형성된 막전극접합체;
상기 막전극접합체의 양측에 구비되며, 전자 이동, 반응물 및 생성물의 공급과 배출기능을 수행하는 분리판;
상기 분리판의 일 측에 구비되는 전류 공급판; 및
상기 분리판과 상기 전류 공급판 사이에 구비되어 접촉저항을 감소시키기 위한 메탈폼;을 포함하고,
상기 메탈폼은 청구항 1과 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학 스택.In the electrochemical stack in which a plurality of unit electrochemical cells are stacked,
Unit electrochemical cell: silver
A membrane electrode assembly in which an anode catalyst is formed on one side of the ion exchange membrane and a cathode catalyst is formed on the other side;
Separation plates provided at both sides of the membrane electrode assembly and performing electron transfer, supply and discharge of reactants and products;
A current supply plate provided at one side of the separation plate; And
And a metal foam provided between the separator and the current supply plate to reduce contact resistance.
The metal foam is an electrochemical stack, characterized in that consisting of any one of claims 1 and 3 to 6. 삭제delete
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