KR101428523B1 - 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터 - Google Patents

수전해 장치용 가스 디스트리뷰터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수전해 장치 스택 내의 고압 환경에서 우수한 안정성을 나타낼 수 있는 가스 디스트리뷰터에 관한 것이다.

Description

수전해 장치용 가스 디스트리뷰터{GAS DISTRIBUTOR FOR WATER ELECTROLYZING DEVICE}
본 발명은 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수전해 장치 스택 내의 고압 환경에서 우수한 안정성을 나타낼 수 있는 가스 디스트리뷰터에 관한 것이다.
도 1은 종래의 수전해 장치를 도시한 도면이다. 먼저, 전해셀(1)은 직렬로 연결된 다수의 고분자 전해질막 유닛(2)과 양단에 형성된 통전용 단부전극판(3)으로 구성되어 있다. 고체 고분자 전해질 유닛(2)은 주로 고체 고분자 전해질막(4)과 고체 고분자 전해질막(4)의 양단에 형성되는 다공질 급전체(5)와 다공질 급전체(5)의 외측에 형성되는 복극식 전극판(6)으로 구성되어 있다.
고분자 전해질막(4)은 일반적으로 프로톤 도전성 재료로 구성되는 고분자막이고, 복극식 전극판(6)은 단부전극판(3) 사이에 전압을 인가했을 경우에 한쪽면이 음극, 다른면이 양극이 되는 것이다. 하나의 복극식 전극판(6)을 기준으로 좌우양측의 고분자 전해질막 유닛(2)의 공통의 구성부재로 되어 있다.
다음으로 종래의 수전해 장치가 동작되는 과정을 설명하면 다음과 같다.
단부 전극판(3) 사이에 좌측이 양극, 우측이 음극이 되도록 전류가 통하면 각 복극식 전극판(6)은 좌측부가 하나의 유닛(2)의 음극이 되고, 또 우측부가 다른 유닛(2)이 양극이 된다.
이 상태에서 순수 공급경로를 통하여 순수를 양극실에 공급하면 양극실에서는 2H2O→ O2 + 4H+ +4e- 의 반응이 일어나고 산소 가스가 발생한다. 또한 양극실에서 발생한 프로톤은 고분자 전해질막을 소량의 물을 수반하여 이동하여 음극실에 도달하여 음극실에서는 이와 같이 도달한 프로톤에 의해 4H+ + 4e-→2H2의 반응이 일어나고 수소가스가 발생한다.
상기와 같이 고분자 전해질 방식은 전해질이 고체 고분자이기 때문에 전해질 관리가 필요 없어지고 순수한 물만을 사용하기 때문에 부식의 문제나 오염의 문제가 없다. 또한 고체 전해질 막을 사이에 두고 애노드와 캐소드가 분리되어 있어 수소와 산소의 혼합이 원천적으로 봉쇄되어 고순도의 수소와 산소를 별도의 정제과정 없이 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히 타 방식에 비해 전류밀도를 현저히 높게 사용할 수 있어 장치의 크기에 비해 많은 양의 수소와 산소를 얻을 수 있다.
그러나 발생되는 산소 가스와 수소 가스를 수집하기 위해 유로로 산소 가스 또는 수소 가스를 안내하는 가스 디스트리뷰터의 경우 가스 디스트리뷰터에 유로를 형성하는 데 비용이 많이 드는 문제점이 있었다.
이를 해결하기 위해, 대한민국 공개특허공보 10-2011-0124415에서는 삼차원 메쉬가 가스 디스트리뷰터로 이용되는 구조를 개시하고 있다. 도 2를 참조하면, 대한민국 공개특허공보 10-2011-0124415는 막-전극 접합체(100), 유로판(110), 가스켓(120) 및 엔드 플레이트(130)로 구성되는 고분자 전해질 수전해 장치에 있어서, 유로판(110)이 삼차원 메쉬(200) 및 평면 분리판(201)이 결합되어 유로가 형성된 것을 개시하고 있다.
그러나 수소 제조 효율을 높이기 위해서 스택 내의 고압을 견뎌내야 하는데, 삼차원 메쉬(200) 형태의 가스 디스트리뷰터는 압력에 약해 상대적으로 저압의 환경에서 구동되어야 하므로 효율이 낮아지는 문제점이 있다.
본 발명은 고압 환경하에서 수전해 장치를 안정적으로 구동시킬 수 있는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 제조 공정이 간단하고 제작 시간을 단축 시켜 제조 비용을 절감할 수 있는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막의 양측에 접합되는 수소 또는 산소 촉매층과, 각 촉매층 상에 형성되는 전극층으로 이루어지는 막-전극 접합체의 양측에 결합되어 막-전극 접합체에서 수전해 반응을 통해 생성된 수소 기체 또는 산소 기체를 안내하는, 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터로서, 가스 디스트리뷰터는, 평판부; 및 평판부에서 막-전극 접합체쪽 일방향으로 소정 높이 돌출된 복수 개의 돌부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 유로는 평판을 소성가공하여 형성되는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터는 금속판 및 플라스틱판 중 어느 하나로 제조되며, 프레싱 가공하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터는 플라스틱으로 제조되며, 사출 성형되는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 돌부는 단면이 곡선인 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 돌부의 밑면은 마름모꼴, 삼각형, 사각형 중 어느 한 형상으로 형성되며, 상부로 갈수록 좁아지는 형태인 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 복수 개의 돌부가 서로 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터를 제공한다.
또한 본 발명의 다른 일 예로, 복수 개의 돌부 사이의 간격은 등간격 또는 비등간격인 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터를 제공한다.
본 발명이 제공하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터는 메쉬와 달리 가스 디스트리뷰터 상에 천공된 부분이 없어 고압에도 견딜 수 있어, 수전해 장치의 효율을 높일 수 있다.
또한 본 발명이 제공하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터는 메쉬 형태의 가스 디스트리뷰터와 같이 펀칭 공정과 굽힘 가공 공정 같이 두 번의 공정을 거치는 것이 아니라, 판재에 유로를 소성 가공하는 한 번의 공정만을 거치거나, 사출 성형 공정과 같이 유로와 판재를 한 번에 성형하는 공정에 의해 생산되므로, 생산 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 수전해 장치를 도시한 도면,
도 2는 메쉬형 가스 디스트리뷰터를 구비하는 종래의 수전해 장치를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터를 구비하는 수전해 장치를 도시한 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터를 구비하는 수전해 장치를 도시한 도면이다. 수전해 장치는, 고분자 전해질막(30)의 양측에 수소 또는 산소극 촉매층(20)이 접합되고, 각 촉매층 상에 전극층(10)이 형성된다. 고분자 전해질막(30)과 전해질막(30)의 양 측에 형성되는 촉매층(20) 및 전극층(10)을 막-전극 접합체(MEA)라고 부른다. 일반적으로 촉매층(20)은 산소극 촉매층으로 백금입자와 산화 이리듐 입자를 고분자 전해질 용액과 발수화제로 분산시킨 용액을 이용하여 분리판과 접하는 면에 도금시켜 형성되고, 수소극 촉매층은 백금 블랙입자와 카본 촉매를 혼합한 용액을 도포하여 형성된다. 또한 막-전극 접합체(MEA)의 양 측에 가스 디스트리뷰터(50)가 결합되어 하나의 수전해 셀이 만들어진다. 가스 디스트리뷰터(50)는 수전해 반응을 통해 생성된 수소 기체 또는 산소 기체를 안내하는 역할을 한다. 또한, 가스 디스트리뷰터(50)의 주위로 가스켓(60)이 설치되어, 수소 기체 또는 수소 기체가 수전해 장치 내에서 누출되는 것을 방지한다.
각 수전해 셀을 구분하기 위한 분리판(40)이 구비되며, 수전해 셀과 분리판(40)이 교대로 적층되어 하나의 적층체를 이룬다. 적층체의 양단에는 엔드 플레이트(70)가 결합된다.
엔드 플레이트(80)를 비롯하여, 각 분리판(40), 막-전극 접합체(MEA)에는 가스 디스트리뷰터(50)를 통해 안내된 산소 기체, 수소 기체를 수전해 장치의 외부로 배출하기 위한 배출 유로(80)가 형성된다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터를 도시한 도면이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터(50)는 평판에 볼록하게 돌출된 돌부(52)가 복수 개 형성되고, 일측에는 수소 기체 또는 산소 기체를 배출하기 위한 배출 유로(80)가 형성된다. 돌부(52)에 의해 막-전극 접합체(MEA)와 소정 거리를 유지할 수 있으며, 돌부(52)가 형성되지않은 평판부(54)가 수소 기체 또는 산소 기체를 배출하는 유로로 활용된다. 가스 디스트리뷰터(50)의 돌부(52)는 프레스 가공하여 형성될 수 있으며, 이 경우 가스 디스트리뷰터(50)의 재질은 소성변형이 가능한 재질이라면 어느 것이 이용되어도 무방하다. 가스 디스트리뷰터(50)는 예를 들면, STS, 탄소강, 티타늄 등의 금속으로 제조될 수도 있고, 고분자 플라스틱 등으로 제조될 수도 있다. 또한 가스 디스트리뷰터(50)는 수전해 장치 내의 고압 환경을 견뎌내야 하므로 압력에 강하며, 내마모성 및 내부식성이 우수한 재질로 제조되거나, 압력에 강하며 내마모성 및 내부식성이 우수한 재질로 코팅될 수 있다.
또한 가스 디스트리뷰터(50)의 돌부(52)는 가스 디스트리뷰터(50) 자체를 사출 성형하면서 함께 성형될 수 있다. 이 경우에도 금속이나 고분자 플라스틱 등 사출 성형이 가능한 재료 중에서 어느 것이 선택되어도 무방하며, 특히 수전해 장치 내의 고압 환경을 견뎌낼 수 있는 재료가 선택되는 것이 바람직하다.
가스 디스트리뷰터(50)의 유로 성형 과정이 단순화되어, 기존의 메쉬 형태의 가스 디스트리뷰터에 비해 불량률을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 가스 디스트리뷰터(50)의 제조 비용을 절감할 수 있다.
제1 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터(50)의 돌부(52)의 전체적인 성형 패턴이 방사형으로 형성되어, 막-전극 접합체(MEA)에서 발생한 수소 기체 및 산소 기체를 배출 유로(80)로 안내한다.
한편 가스 디스트리뷰터(50)의 돌부(52) 자체의 형상은 기체를 원활히 배출할 수 있도록, 돌부(52)의 측단면이 완만한 라운드 형태이거나, 돌부(52)의 단면이 상부로 갈수록 좁아지는 원뿔, 사각뿔, 또는 원뿔이나 사각뿔의 상부 일부가 절단된 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 돌부(52)의 밑면은 원형 또는 삼각형, 사각형, 마름모와 같은 다각형 중의 어느 하나이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터를 도시한 도면이다. 제2 실시예는 제1 실시예와 돌부(52)의 전체적인 성형 패턴만 다르며, 다른 기술적 사항은 모두 동일하다. 제2 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터(50)의 돌부(52)는 격자형으로 형성되며, 막-전극 접합체에서 발생한 수소 기체 및 산소 기체를 배출 유로(70)로 안내한다.
도 4 내지 도 6에는 돌부(52)에 의해 형성되는 특정한 유로 성형 형상, 즉 방사형, 격자형의 형상이 도시되어 있으나, 막-전극 접합체에서 발생한 수소 기체 및 산소 기체를 배출 유로(70)로 원활히 안내할 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 무방하다. 예를 들어, 돌부(52)가 직교형으로 형성되지만, 등간격으로 형성되는 것이 아니라 외주로 갈수록 간격이 넓어지거나, 반대로 외주로 갈수록 간격이 좁아지는 형상으로 형성될 수도 있고, 방사형이 아닌 소용돌이 형상으로 형성될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터의 돌부를 도시한 도면이다. 제3 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터(50)의 돌부(52)는 돌출 방향의 반대면이 오목하게 형성되지 않고 편평한 형태이다. 제3 실시예에 따른 가스 디스트리뷰터(50)는 평판을 프레싱하여 가공하는 대신, 사출 성형이나 소결 성형 등 평판부와 돌부(52)를 동시에 성형할 수 있는 가공법으로 제작된다. 이 경우 재료비나 제작비는 다소 증가할 수 있으나, 가스 디스트리뷰터(50)의 전체적인 강도를 높여 더 고압의 환경에서도 우수하게 작동할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막의 양측에 접합되는 수소 또는 산소 촉매층과, 각 촉매층 상에 형성되는 전극층으로 이루어지는 막-전극 접합체의 양측에 결합되어 막-전극 접합체에서 수전해 반응을 통해 생성된 수소 기체 또는 산소 기체를 안내하는, 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터로서,
    가스 디스트리뷰터는,
    평판부; 및
    평판부에서 막-전극 접합체쪽 일방향으로 소정 높이 돌출된 복수 개의 돌부;를 포함하되,
    돌부에 의해 막-전극 접합체와 소정거리를 유지할 수 있으며 돌부가 형성되지 않은 평판부가 수소 기체 또는 산소 기체를 배출하는 유로로 활용되는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터.
  2. 제1항에 있어서,
    유로는 평판을 소성가공하여 형성되는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터.
  3. 제1항에 있어서,
    수전해 장치용 가스 디스트리뷰터는 금속판 및 플라스틱판 중 어느 하나로 제조되며, 프레싱 가공하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터.
  4. 제1항에 있어서,
    수전해 장치용 가스 디스트리뷰터는 플라스틱으로 제조되며, 사출 성형되는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    돌부는 측단면이 곡선을 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    돌부의 밑면은 마름모꼴, 삼각형, 사각형 중 어느 한 형상으로 형성되며, 상부로 갈수록 단면이 좁아지는 형태인 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수 개의 돌부는, 서로 간격을 두고 배치되는 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터.
  8. 제7항에 있어서,
    복수 개의 돌부 사이의 간격은, 등간격 또는 비등간격인 것을 특징으로 하는 수전해 장치용 가스 디스트리뷰터.
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