KR101567911B1

KR101567911B1 - 전기분해장치 및 전기분해장치 스택의 제조방법

Info

Publication number: KR101567911B1
Application number: KR1020140005416A
Authority: KR
Inventors: 이웅무; 김종훈; 이정남
Original assignee: (주) 팝스
Priority date: 2014-01-16
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2015-11-10
Also published as: KR20150085598A

Abstract

본 발명은 전기분해장치 및 전기분해장치 스택의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 수소전극, 산소전극 및 분리막을 포함하는 MEA(membrane-electrode assembly), 배전판, 스페이서 및 밀봉부를 포함하되, 상기 밀봉부는 전해액 및 생성가스를 수송할 수 있는 유로부를 포함하는 동시에 전기분해장치를 밀봉하여 누설을 방지하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기분해장치의 압축된 다공성 스페이서는 균일한 전기전도성을 유지함과 동시에 전극으로의 균일한 전해액 공급과 전극으로부터의 균일한 가스 배출을 돕는 유로(fluid path)로도 사용되며, 전극과 스페이서를 포용하는 밀봉부는 전극에 전해액의 공급 및 가스의 배출을 위한 내부 수송 채널을 제공하는 구조물 역할을 하는 동시에 밀봉을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 전기분해장치의 스택 제작방법은 각 층간의 밀봉과 전기분해 참여 물질의 균일하고 원활한 공급 및 배출 등의 요구 조건을 저렴한 원료를 사용하며 단순한 제작방법에 의하여 만족시킬 수 있다는 장점을 갖는다.

Description

전기분해장치 및 전기분해장치 스택의 제조방법{Electrolyzer and Methods for assembling stacks of electrolyzer}

본 발명은 전기분해장치 및 전기분해장치 스택의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 스페이서 및 밀봉부를 포함하여 압력을 가함으로써 보다 간단하고 저렴하게 전기분해장치 및 전기분해장치 스택을 제조하는 방법에 관한 것이다.

수소는 산업공정의 처리가스로서 혹은 전기에너지의 다른 형태인 에너지 저장체로서 광범위한 용도에서 사용된다.

구체적으로 수소는 식품, 화학, 금속, 조명, 용접, 탈취, 살균 등 산업체에서 주요한 원료 및 환원제 등의 용도로 사용되며 GC(gas chromatography)와 같은 가스분석장치에서 표준가스로도 사용된다.

또한, 저렴한 가격으로 공급되는 전력의 풍력, 태양력 같은 재생에너지로 얻어진 전력의 임시 저장체로도 사용된다. 이와 같이 전력을 수소라는 임시 에너지 저장체로 변환할 경우 물의 전기분해는 최적의 에너지 변환수단이 된다.

상기 물을 전기분해하는 방법은 물과 접촉하는 두 전극에 직류전류를 통과시켜 각 전극으로부터 수소가스와 산소가스를 제조하는 방법이다.

그 중 100 ℃ 이하의 상온에서 물을 전기분해하여 수소에너지를 제조하는 방법으로는 고분자막을 분리막으로 사용하는 전해법이 널리 사용된다.

고분자 전해법은 고체 고분자 전해질막을 산소전극(anode)와 수소전극(cathode) 사이에 배치하여 가스 이동은 막으면서 이온은 통과시키는 분리막으로 사용하는 물 전기분해 방법이다. 상기 방법은 전해액으로 물 혹은 알칼리 수용액을 사용할 수 있다. 물을 사용할 경우에는 전극으로 고가의 백금 전극을 사용하고 분리막으로는 PEM(Polymer Electrlyte Membrane Electrolysis)과 같은 고가의 고분자막을 사용해야 하기 때문에 수소 가스의 제조 단가가 높다.

이에 반하여 수산화나트륨 수용액 또는 수산화칼륨 수용액과 같은 알칼리 수용액을 전해액으로 사용하는 경우는 고가의 귀금속 촉매를 사용하지 않아도 되므로 수소가스의 제조단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

이 경우 분리막으로는 두 종류의 고분자 막을 사용할 수 있다.

하나는 기공의 직경이 1 ㎛이하인 PES(polyether sulfone), PTFE(polytetrafluoroethylene)과 같은 다공성 고분자막이다. 다른 하나는 이온 교환(ion-exchage)성 고분자막이다.

가격이 저렴한 전자의 경우에는 물이나 이온들이 다공성 채널을 통하여 자유롭게 이동하며 이 채널을 통하여 소량의 가스 역시 통과할 수 있다. 따라서, 분해되는 가스의 순도는 떨어지지만 가격이 저렴하다는 장점이 있다.

한편, 후자의 경우는 양이온이나 음이온 그리고 물 분자가 이온교환성 고분자막 분자조직 사이를 그들과 상호 에너지의 영향 하에 이동하며 가스의 이동은 허용되지 않는다. 최근에 상품화된 이온교환막은 전해액으로 물만을 사용하는 것을 허용하기 때문에, 가스의 순도가 높다는 장점 외에도 물이 막을 통하여 산소전극에서 수소전극으로 자연적으로 확산되므로 전해액을 산소전극에만 공급하면 되며 따라서 장치의 구조가 단순하다는 장점이 있다. 그러나 전자에 비하여 가격이 훨씬 높다.

상기한 고분자막과 고표면적 니켈전극을 사용하는 알칼리 수용액의 전기분해 장치가 경제적인 이점 때문에 요즈음 활발한 개발의 대상이 되고 있다.

전극을 정렬로 쌓아올려 스택을 제작함에 있어 고려해야할 가장 중요한 사항은 각 전극으로 전해액의 공급 및 전극에서 생성된 가스의 배출을 용이하게 하는 것과 스택 각 층 사이의 틈을 철저히 밀봉하여 전해액이나 가스의 유출을 방지하는 것이다. 이와 동시에 전극 표면으로 전류를 균일하게 배전(distribution of current)하는 것도 주요 고려사항이다. 밀봉을 확실히 하기 위해서는 에폭시와 같은 접착제 혹은 개스킷을 사용한다. 가스의 배출과 균일한 배전을 위해서는 탄소, 티타늄과 같은 전도성을 갖는 다공성 기체 확산층(gas diffusion layer)을 가스 발생 전극과 양극성 배전판 판(bipolar plate) 사이에 삽입한다.

한편, 전기분해 스택의 제조방법과 관련된 종래의 기술로서 대한민국 등록특허 제10-0388085호에서는 전기분해장치에 사용되는 가스켓의 성형방법, 가스켓 및 전기 분해 장치를 제공한다. 구체적으로는, 테프론의 표면을 Na 과 암모니아수가 혼합된 용액을 이용하여 에칭처리하는 것과, 통상적인 접착제를 이용하여 가스켓을 성형하는 방법에 있어서, 고무를 이용하여 다수의 관통구 또는 개구의 내측에 결합턱이 형성되도록 가스켓 본체를 제단하는 가스켓 본체 성형 단계; 상기 결합턱에 대응되는 결합홈이 형성되도록 사출하여 테프론을 형성하는 테프론 형성단계; 상기 가스켓 본체와 테프론 사이에 접착성을 좋게 하기 위해서 가스켓 본체와 접촉되는 테프론의 표면을 상기 Na 과 암모니아수가 혼합된 용액을 이용하여 에칭처리하고, 에칭이 완료되면 가스켓 본체와 테프론 사이에 상기 접착제를 도포하는 접착단계;상기 가스켓 본체와 테프론의 접착제 처리후 가성형 금형에 투입후 프레스를 실시함으로써 가스켓 본체와 테프론 사이에 발생되는 에어를 제거하는 가성형단계; 및상기 가성형단계에 의해 에어가 제거된 가스켓을 금형에 투입한 후 다시 한번 프레스를 가함으로써 가스켓을 완성하는 제품완성단계를 포함하는 전기분해장치에 사용되는 가스켓의 성형방법을 제공한다.

이에, 본 발명자들은 저가의 원료를 사용하고 단순한 구조를 갖는 전기분해장치에 대하여 연구하던 중, 저렴한 전극 및 스페이서와 유로가 형성된 밀봉부를 포함하는 전기분해장치가 우수한 밀봉이 이루어지면서도 원활한 전해액 및 가스배출이 일어나며 성능 또한 우수한 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은,

전기분해장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은,

상기 전기분해장치를 복수 개로 포함하는 전기분해장치 스택을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은,

전기분해장치 스택의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

수소전극, 산소전극 및 분리막을 포함하는 MEA(membrane-electrode assembly), 배전판, 스페이서 및 밀봉부를 포함하되,

상기 밀봉부는 전해액 및 생성가스를 수송할 수 있는 유로부를 포함하는 동시에 전기분해장치를 밀봉하여 누설을 방지하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치를 제공한다.

또한, 본 발명은,

상기 전기분해장치를 복수 개로 포함하는 전기분해장치 스택을 제공한다.

나아가, 본 발명은,

산소전극, 분리막 및 수소전극을 순차적으로 포함하는 MEA(membrane-electrode assembly)의 산소전극의 상부, 수소전극의 하부에 각각 스페이서를 배치하고, 상기 스페이서를 포함하는 MEA 복수 개를 적층하되,

상기 스페이서를 포함하는 MEA 사이에는 배전판을 배치하고,

상기 스페이서를 포함하는 MEA 측면부에는 밀봉부를 배치하는 단계(단계 1);

상기 단계 1의 적층된 스페이서를 포함하는 MEA의 최상단 및 최하단에 각각 양극전극판 및 음극전극판을 설치하는 단계(단계 2); 및

상기 양극전극판 및 음극전극판에 대하여 압력을 가하는 단계(단계 3);을 포함하는 전기분해장치 스택의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 전기분해장치는 경제적이고 단순한 구조로, 전극으로 전해액의 공급 및 전극으로부터 생성가스의 배출을 균일하고 용이하게 하는 동시에 스택 각 층간의 밀봉을 보장할 수 있다.

신축성이 있는 다공성 금속 스페이서를 전기분해장치의 배전판과 전극 사이에 삽입하고 전기분해장치의 외형 역할을 하는 밀봉부를 배치한 후 압력을 인가하면 스페이서가 압축되면서 틀 표면은 그와 접촉하는 분리막 그리고 배전판과 자연스럽게 밀착되면서 가스킷과 접착제의 필요성을 최소한으로 하면서도 전기분해장치 각 층간의 밀봉을 돕는다.

또한, 압축된 다공성 스페이서는 균일한 전기전도성을 유지함과 동시에 전극으로의 균일한 전해액 공급과 전극으로부터의 균일한 가스 배출을 돕는 유로(fluid path)로도 사용되며, 전극과 스페이서를 포용하는 밀봉부는 전극에 전해액의 공급 및 가스의 배출을 위한 내부 수송 채널을 제공하는 구조물 역할을 하는 동시에 밀봉을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 전기분해장치의 스택 제작방법은 각 층간의 밀봉과 전기분해 참여 물질의 균일하고 원활한 공급 및 배출 등의 요구 조건을 저렴한 원료를 사용하며 단순한 제작방법에 의하여 만족시킬 수 있다는 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 전기분해장치의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 밀봉부의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 전기분해장치 스택의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 4는 본 발명에 따른 전기분해장치 스택의 병렬식, 직렬식 구조의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 5는 본 발명에 따른 전기분해장치 스택의 직렬식 구조에 따른 물질의 흐름의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 6은 본 발명에 따른 전기분해장치 스택의 분리막이 이온교환막인 경우의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 7은 실시예 1에서 제조된 전기분해장치 스택의 전압-전류 관계를 나타낸 그래프이다.

본 발명은,

수소전극(20), 산소전극(10) 및 분리막(60)을 포함하는 MEA(membrane-electrode assembly), 배전판(50), 스페이서(30) 및 밀봉부(40, 41)를 포함하되,

상기 밀봉부(40, 41)는 전해액 및 생성가스를 수송할 수 있는 유로부(72, 74, 76, 78)를 포함하는 동시에 전기분해장치를 밀봉하여 누설을 방지하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치를 제공한다.

이때, 도 1에 본 발명에 따른 전기분해장치의 일례를 도시하였으며, 이하, 본 발명에 따른 전기분해장치를 상세히 설명한다.

본 발명의 전기분해장치는 수소전극(20), 산소전극(10) 및 분리막(60)을 포함하는 MEA를 포함한다.

상기 수소전극(20) 및 산소전극(10)으로 전기에너지를 가함으로써 산화·환원반응을 통하여 수소 및 산소가 생성될 수 있다.

이때, 상기 수소전극(20) 또는 산소전극(10)은 니켈전극이며, 상기 니켈전극은 니켈분말을 포함한 상태로 가압성형된 다공성 니켈지지체를 포함하고, 상기 다공성 지지체는 표면에 니켈박막 또는 니켈합금박막이 형성될 수 있다.

전극이 상기의 구조를 가짐으로써 물리적, 화학적 안정성 및 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라 알칼리 전기분해의 전극으로서 성능이 우수한 장점이 있다. 또한, 니켈전극은 니켈분말, 니켈폼과 같은 저렴한 니켈 원료물질을 이용하여 물리적, 화학적 물성이 우수할 뿐만 아니라 표면적이 큰 장점이 있다.

상기 분리막(60)은 수소 및 산소의 혼합을 방지할 수 있으며, 상기 분리막(60)으로는 다공성 고분자막 또는 알칼리성 이온교환수지 고분자막을 사용할 수 있으나, 상기 분리막(60)이 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 밀봉부(40, 41)는 개구부(11, 21) 부위에 층계를 더 포함할 수 있다.

상기 분리막(60)의 가장자리로 전해액의 누설을 방지하기 위해서 분리막 가장자리와 직접 접촉하는 밀봉부(도 1의 경우는 밀봉부 41이지만 경우에 따라서는 밀봉부 42가 될 수도 있음)의 개구부(11, 21) 부위에 층계를 만들고 그 표면에 분리막(60)과 “O"링(61)을 차례로 배치하는 방법을 택할 수 있다.

본 발명의 전기분해장치는 배전판(50)을 포함한다.

상기 배전판(50)은 MEA 사이에 배치되어 전극간의 전기적 접촉을 형성하면서도 수소 및 산소기체가 혼합되는 것을 방지할 수 있다.

상기 배전판(50)으로 금속 호일을 사용할 수 있으나 상기 배전판(50)이 이에 제한되는 것은 아니다.

이때, 상기 배전판은 0.1 내지 1 mm의 두께를 가질 수 있다.

만약, 상기 배전판의 두께가 0.1 mm 미만인 경우에는 기계적인 안정도가 저하하는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 배전판의 두께가 1 mm 초과인 경우에는 재료의 가격이 상승하고 스택의 두께가 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명의 전기분해장치는 스페이서(30)를 포함한다.

종래에는 상기와 같이 생성된 가스의 배출 및 균일한 배전을 위해 탄소, 티타늄과 같은 전도성을 갖는 다공성 기체 확산층을 배전판과 전극 사이에 삽입하였다.

그러나, 본 발명에서는 스페이서(30)가 배전판과 전극 사이에 배치되어 균일한 전기전도성을 유지함과 동시에 전극으로의 균일한 전해액 공급과 전극으로부터의 균일한 가스 배출을 돕는 유로(fluid path)로도 사용될 수 있다. 또한, 스페이서(30)의 신축성 때문에 압력에 의해 그 모양이 변형됨으로써 밀봉된 전기분해장치를 제공할 수 있다.

상기 스페이서(30)는 다공성의 금속망, 금속 폼, 니켈 폼, 니켈 펠트, 니켈 직물, 니켈 도금한 철망 및 니켈 도금한 철 폼으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으나, 상기 스페이서(30)가 이에 제한되는 것은 아니며 다수의 공극과 기계적 신축성이 있으며, 알칼리 용액에서 화학적으로 안정한 금속성 소재를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

이때, 상기 스페이서(30)의 공극의 직경은 20 내지 500 ㎛인 것이 바람직하며, 두께는 1 내지 3mm 인 것이 바람직하며, 압축된 후에도 액체와 기체의 수송이 원활한 공극 구조를 유지하는 소재를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 전기분해장치는 밀봉부(40, 41)를 포함하며, 상기 밀봉부(40, 41)는 전해액 및 생성가스를 수송할 수 있는 유로부를 포함하는 동시에 전기분해장치를 밀봉하여 누설을 방지한다.

전기분해장치에 있어서, 각 전극으로 전해액을 공급하고, 전극에서 생성된 가스를 배출하며 및 철저한 밀봉으로 상기 전해액 및 가스의 유출을 방지하는 것과, 전극 표면으로 전류를 균일하게 배전하는 것이 중요하다.

종래에는 밀봉을 확실히 하기 위해서 에폭시와 같은 접착제나 개스킷을 사용하였다. 그러나 본 발명에서는 밀봉부(40, 41)가 전해액 및 가스의 수송 채널역할 및 전기분해장치의 외형역할을 할 뿐만 아니라 동시에 가스킷과 접착제의 필요성을 최소한으로 하면서도 밀봉을 가능케 하여 전해액이나 생성된 가스의 누설을 막을 수 있다. 이에 따라 전기분해장치의 구조가 단순하며 저렴하게 제공될 수 있다.

이때, 상기 밀봉부(40, 41)는 폴리프로필렌, 폴리설폰, 폴리스티렌, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌 에테르, 폴리에테르 이미드, 폴리이미드, 폴라아미드, 폴리에테르 케톤, 폴레에틸렌, 플루오르화 폴리머, 에폭시 및 폴라카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 상기 밀봉부가 이에 제한되는 것은 아니며, 알칼리 용액에서 화학적, 물리적으로 안정한 물성을 갖는 고분자 재료를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

상기 밀봉부(40, 41)는 전극 및 스페이서가 배치될 수 있는 개구부(11, 21); 전해액, 산소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 통과할 수 있는 한 쌍의 제1유로부(72, 76); 전해액, 수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 통과할 수 있는 한 쌍의 제2유로부(74, 78); 상기 개구부(11)와 제1유로부(72, 76) 또는 개구부(21)와 제2유로부(74, 78)를 연결하는 채널(82, 84, 86, 88)을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 밀봉부는 산소전극용 밀봉부(40) 또는 수소전극용 밀봉부(41)일 수 있다.

도 2(A)에 산소전극용 밀봉부(40)의 일례를 나타낸 바와 같이, 중앙부에는 산소전극(10) 및 스페이서(30)가 배치될 수 있는 개구부(11)가 위치하며, 상기 개구부(11)의 주변으로 제1유로(72, 76) 및 제2유로(74, 78)가 형성될 수 있으며, 한 쌍의 제1유로부(72, 76)는 동일한 대각선 상에 위치할 수 있고, 한 쌍의 제2유로부(74, 78)는 동일한 대각선상에 위치할 수 있다. 한 쌍의 제1유로부(72, 76) 중 하나의 제1유로부(72)에는 전해액이 유입될 수 있고, 상기 제1유로부(72)와 개구부(11)에 연결된 채널(82)에 의해 상기 전해액이 산소전극(10)과 반응할 수 있으며, 상기 산소전극(10)과 반응한 전해액 및 발생한 산소는 나머지 제1유로부(76)와 개구부(11)에 연결된 채널(86)에 의해 다른 하나의 제1유로부(76)를 통해 배출될 수 있다. 이때, 제2유로부(74, 78)는 전해액, 수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 통과할 수 있으나, 산소전극(10)이 배치된 개구부(11)로 연결되는 채널은 포함하지 않을 수 있다.

도 2(B)에 본 발명에 따른 수소전극용 밀봉부(41)의 일례를 나타낸 바와 같이, 중앙부에는 수소전극(20) 및 스페이서(30)가 배치될 수 있는 개구부(21)가 위치하며, 상기 개구부(21)의 주변으로 제1유로(72, 76) 및 제2유로(74, 78)가 형성될 수 있으며, 한 쌍의 제1유로부(72, 76)는 동일한 대각선 상에 위치할 수 있고, 한 쌍의 제2유로부(74, 78)는 동일한 대각선상에 위치할 수 있다. 한 쌍의 제2유로부(74, 78) 중 하나의 제2유로부(74)에는 전해액이 유입될 수 있고, 상기 제2유로부(74)와 개구부(21)에 연결된 채널(84)에 의해 상기 전해액이 수소전극(20)과 반응할 수 있으며, 상기 수소전극(20)과 반응한 전해액 및 발생한 수소는 나머지 제2유로부(78)와 개구부(21)에 연결된 채널(88)에 의해 다른 하나의 제2유로부(78)를 통해 배출될 수 있다. 이때, 제1유로부(72, 76)는 전해액, 산소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 통과할 수 있으나, 수소전극(20)이 배치된 개구부(21)로 연결되는 채널은 포함하지 않을 수 있다.

상기 산소전극용 또는 수소전극용 밀봉부는 최외곽에 스택을 고정하기 위한 막대를 설치할 수 있는 고정부(70)를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전기분해장치는 산소전극(10) 및 수소전극(20)을 순차적으로 포함할 수 있으며, 이에 따라 산소전극용 밀봉부(40) 및 수소전극용 밀봉부(41)를 순차적으로 포함할 수 있으므로, 분리막을 사이에 두고 이웃하는 상기 두 종류의 밀봉부는 산소전극(10)과 제1유로(72, 76)를 연결하는 채널(82, 86)과 수소전극(20)과 제2유로(74, 78)을 연결하는 채널(84, 88)이 교차하는 방식으로 배열될 수 있다.

상기 밀봉부(40, 41)는 상부면 또는 하부면에 폐루프선 형태의 돌출부(42)를 더 포함하되, 상기 폐루프선 내측에 상기 개구부(11, 21) 및 유로부(72, 74, 76, 78)들이 모두 위치하도록 형성될 수 있다.

상기 돌출부(42)는 전기분해장치가 가스킷이나 접착제를 사용하지 않으면서도 밀봉, 특히 배전판과 이와 접촉하는 밀봉부 사이의 밀봉을 더욱 보장하는 역할을 할 수 있다.

이때, 상기 밀봉부는 1 내지 5 mm의 두께를 가질 수 있다.

만약, 상기 밀봉부의 두께가 1 mm 미만인 경우에는 전극과 스페이서의 두께보다 얇아 밀봉의 역할을 할 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 밀봉부의 두께가 5 mm 초과인 경우에는 스택의 두께가 너무 커지는 문제점이 발생할 수 있다.

한편, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 분리막(60)은 다공성 고분자막 혹은 알칼리성 이온교환수지 고분자막이고,

상기 밀봉부(40, 41)는 전극 및 스페이서가 배치될 수 있는 개구부(11, 21); 전해액, 산소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 통과할 수 있는 한 쌍의 제1유로부(72, 76); 전해액, 수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 통과할 수 있는 한 개의 제2유로부(78); 상기 개구부와 제1유로부 또는 개구부와 제2유로부를 연결하는 채널(82, 86, 88)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치를 제공한다.

분리막(60)으로 알칼리성 이온교환수지와 같은 음이온 교환막을 사용할 경우에는 수소전극(20)으로의 독자적인 전해액의 공급이 요구되지 않기 때문에 수소전극(20)으로의 전해액 유로(74)가 불필요하다. 따라서, 상기한 바와 같이 분리막으로 알칼리성 이온교환수지를 사용하는 경우에는 밀봉부(41)가 수소 가스를 배출시킬 수 있는 한 개의 제2유로부(78)만을 가지기 때문에 수송 구조가 더욱 단순하다. 이때, 상기 전기분해장치를 복수 개 포함하는 전기분해장치 스택은 자연스럽게 병렬식 수송방식을 취할 수 있다.

또한, 알칼리성 이온교환수지와 같은 음이온 교환막을 사용하는 경우에는 전해질로 반드시 KOH 수용액이 아닌 대신 물을 사용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은,

본 발명에 따른 전기분해장치 스택은 저렴하면서도 균일한 전기전도도 및 유로를 제공하며, 압력에 의해 그 모양이 변형되는 스페이서와, 유로로써 활용되는 동시에 스택의 밀봉을 보장하는 밀봉부로 구성되어 있어 단순하며 저렴한 전기분해장치 스택을 제공할 수 있다.

도 3에 본 발명에 따른 전기분해장치 스택의 일례를 도시하였으며, 이하, 상기 전기분해장치의 구동방법을 하기와 같이 상세히 설명한다.

기체-액체 분리기(200)에서 전해액과 생성된 산소 및 수소 가스를 분리한 후, 전해액은 펌프의 도움으로 스택의 한 쌍의 제1유로 중 하나(72)를 통하여 각 전기분해장치의 산소전극(10)으로, 한 쌍의 제2유로 중 하나(74)를 통하여 각 전기분해장치의 수소전극(20)으로 공급된다. 전기분해로 생성된 산소와 수소가스는 전해액과 함께 각각 한 쌍의 제1유로 중 다른 하나(76) 및 한 쌍의 제2유로 중 다른 하나(78)를 통하여 기체-액체 분리기(200)로 수송된다. 다시 기체-액체 분리기(200)에서 전해액을 분리함으로써 전기분해장치 스택의 전해액이 순환하며 구동될 수 있다.

이때, 상기 전기분해장치 스택 중, 분리막은 한 쌍의 제1유로(72, 76) 및 한 쌍의 제2유로(74, 78)와 동일한 위치에 개구가 형성되어 있을 수 있고, 이에 따라 각 전기분해장치들이 병렬로 결합될 수 있다. 특히, 분리막으로 이온교환성 막을 선택할 때에는 각 전기분해장치들이 병렬로 결합될 수 있다.

도 4(A)에는 제2유로만이 도시된 병렬식 구조의 전기분해장치 스택이 도시되어 있고, 이를 살펴보면, 한 쌍의 제2유로(74, 78)와 동일한 위치에 분리막 및 배전판(50)에 개구가 형성되어 있기 때문에, 최상부에서 수직방향으로 내려다보았을 때 완전히 뚫려있는 구조를 취한다.

따라서, 전해액과 수소가스의 이동방향을 화살표로 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 제2유로 중 하나(74) 는 모든 전기분해장치에 전해질 공급의 목적으로 전해액을 수송하며, 다른 하나(78)는 모든 전기분해장치로부터 발생하는 수소 배출의 목적으로 이용된다.

반면, 상기 전기분해장치 스택 중 분리막은 한 쌍의 제1유로(72, 76) 중 어느 하나 및 한 쌍의 제2유로(74, 78) 중 어느 하나와 동일한 위치에 개구가 형성되어 있을 수 있고, 이에 따라 각 전기분해장치들이 직렬로 결합될 수 있다.

도 4(A)에는 제2유로만이 도시된 직렬식 구조의 전기분해장치 스택이 도시되어 있고, 이를 살펴보면, 한 쌍의 제2유로(74, 78) 중 어느 하나와 동일한 위치에 개구가 형성되어 있기 때문에, 최상부에서 수직방향으로 내려다보았을 때 완전히 뚫려있지 않은 구조를 취한다.

이때, 하나의 전기분해장치 내 분리막(60)에 한 쌍의 제2유로 중 어느 하나(74)와 동일한 위치에 개구가 형성되어 있다면, 상기 전기분해장치의 상단 및 하단에 구비되는 다른 전기분해장치 내의 분리막에는 한 쌍의 제2유로 중, 상기 전기분해장치 내의 분리막에 형성된 개구와 다른 제2유로의 어느 하나(78)와 동일한 위치에 개구가 형성되어 있을 수 있다. 이와 같이 스택 내의 순차적으로 쌓여진 전기분해장치의 분리막(50)은, 교차적으로 개구가 형성되어 있을 수 있다.

따라서, 전해액과 수소가스의 이동방향을 화살표로 나타낸 바와 같이, 한 쌍의 제2유로(74, 78) 모두에서 전해액 및 수소가스의 혼합물이 수송될 수 있다.

도 5에 직렬식 구조의 전기분해장치에서 전해액 및 산소가스의 혼합물(연속선)과 전해액 및 수소가스의 혼합물(절단선)이 수송되는 방식을 나타내었다.

산소가스 혼합물의 경우에는, 배전판(50)에서 한 쌍의 제1유로 중 하나(76)를 통하여 산소전극으로 향하는 산소가스 혼합물이 유입되고, 밀봉부(40)의 개구부(11)를 통해 산소전극과 상기 산소가스 혼합물 내의 전해액이 반응한 후, 전해액과 발생된 산소가스가 함께 다른 제1유로(72)로 이동한다. 이때, 상기 배전판이 포함된 전기분해장치 내의 분리막이 하나의 제1유로(76)와 동일한 위치에 개구가 형성되어 있지 않기 때문에, 하나의 제1유로(76)가 전기분해장치를 관통하여 형성되어 있지 않다. 따라서, 다른 제1유로(72)를 통해 전해액 및 산소가스가 또 다른 전기분해장치 내의 산소전극으로 유입되고, 상기 전해액과 발생된 산소가스가 함께 다시 하나의 제1유로(76)로 이동하며 각각의 전기분해장치마다 전해액을 공급할 수 있다.

수소가스 혼합물의 경우에는, 배전판(50)에서 한 쌍의 제2유로 중 하나(78)를 통하여 수소전극으로 향하는 수소가스 혼합물이 유입되고, 밀봉부(41)의 개구부(21)를 통해 수소전극과 상기 수소가스 혼합물 내의 전해액이 반응한 후, 전해액과 발생된 수소가스가 함께 다른 제2유로(74)로 이동한다. 이때, 상기 배전판이 포함된 전기분해장치 내의 분리막이 하나의 제2유로(78)와 동일한 위치에 개구가 형성되어 있지 않기 때문에, 하나의 제2유로(78)가 전기분해장치를 관통하여 형성되어 있지 않다. 따라서, 다른 제2유로(74)를 통해 전해액 및 수소가스가 또 다른 전기분해장치 내의 수소전극으로 유입되고, 상기 전해액과 발생된 수소가스가 함께 다시 하나의 제2유로(78)로 이동하며 각각의 전기분해장치마다 전해액을 공급할 수 있다.

본 발명은,

산소전극(10), 분리막(60) 및 수소전극(20)을 순차적으로 포함하는 MEA(membrane-electrode assembly)의 산소전극(10)의 상부, 수소전극(20)의 하부에 각각 스페이서(30)를 배치하고, 상기 스페이서(30)를 포함하는 MEA 복수 개를 적층하되,

상기 스페이서(30)를 포함하는 MEA 사이에는 배전판(50)을 배치하고,

상기 스페이서(30)를 포함하는 MEA 측면부에는 밀봉부(40, 41)를 배치하는 단계(단계 1);

상기 단계 1의 적층된 스페이서(30)를 포함하는 MEA의 최상단 및 최하단에 각각 상기 단계 1의 적층된 스페이서를 포함하는 MEA의 최상단 및 최하단에 각각 양극전극판(100) 및 음극전극판(100)을 설치하는 단계(단계 2); 및

상기 양극전극판(100) 및 음극전극판(100)에 대하여 압력을 가하는 단계(단계 3);을 포함하는 전기분해장치 스택의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따른 전기분해장치의 스택의 제조방법은 전극으로 전해액의 공급 및 전극으로부터 생성가스의 배출을 균일하고 용이하게 하는 동시에 스택 각 층간의 밀봉을 보장하는 경제적이고 단순한 방법이다.

신축성이 있는 다공성 금속 스페이서를 스택 각 전기분해장치의 배전판과 전극 사이에 삽입하고 전기분해장치의 외형 역할을 하는 밀봉부를 배치한 후 압력을 인가하면 스페이서가 압축되면서 틀 표면은 그와 접촉하는 분리막 그리고 배전판과 자연스럽게 밀착되면서 전기분해장치 각 층간의 밀봉을 돕는다.

따라서, 접착제나 가스킷의 사용을 최소로 줄이면서도 밀봉을 보장하며 저렴한 원료 및 단순한 제작방법으로도 물질의 수송 및 배출이 원활히 이루어지는 전기분해장치 스택을 제조할 수 있다.

이때, 본 발명에 따른 전기분해장치 스택의 모식도를 도 3에 도시하였으며,

이하, 본 발명에 따른 전기분해장치 스택의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 전기분해장치 스택(150)의 제조방법에 있어서 단계 1은 산소전극(10), 분리막(60) 및 수소전극(20)을 순차적으로 포함하는 MEA(membrane-electrode assembly)의 산소전극(10)의 상부, 즉 MEA의 상단에 스페이서(30)를 배치하고, 수소전극(20)의 하부, 즉 MEA의 하단에 스페이서(30)를 배치한다. 다음으로, 상기 스페이서(30)를 포함하는 MEA 복수 개를 적층하되, 상기 스페이서(30)를 포함하는 MEA 측면에는 스페이서(30)의 최대 압축정도를 고려하여 설계된 두께를 갖는 밀봉부(40, 41)를 배치한다. 이때, 밀봉부(40, 41)는 돌출부를 포함할 수 있으며, 이는 가스킷이나 접착제 사용 을 최소로 줄이면서도 스택의 밀봉을 더욱 보장해 준다.

본 발명에 따른 전기분해장치 스택(150)의 제조방법에 있어서 단계 2는 상기 단계 1의 적층된 스페이서(30)를 포함하는 MEA의 최상단 및 최하단에 양극전극판 (100)및 음극전극판(100)을 설치하는 단계이다.

본 발명에 따른 전기분해장치 스택의 제조방법(150)에 있어서 단계 3은 상기 양극전극판(100) 및 음극전극판(100)에 대하여 압력을 가하는 단계이다.

구체적으로, 상기 양극전극판(100), 음극전극판(100), 배전판(50) 및 밀봉부(40, 41)에 형성된 스택을 고정하기 위한 막대를 설치할 수 있는 고정부에 볼트(170)를 삽입하고, 이를 너트로 조이는 방법으로 스택에 압력을 가할 수 있으나, 상기 압력을 가하여 제조하는 방법이 이에 제한되는 것은 아니다.

스택의 상하에 압력이 인가되어 내부의 스페이서가 압축될 때 상기 배전판의 표면이 밀봉부의 표면과 밀착되어 층간의 밀봉을 돕는다.

이때, 상기 단계 3의 압력은 10 내지 500 기압일 수 있다.

만약, 상기 단계 3의 압력이 10 기압 미만인 경우에는 스페이서의 압축이 충분치 못하여 밀봉이 잘 되지 않는 문제점이 발생할 수 있고, 상기 단계 3의 압력이 500 기압 초과인 경우에는 밀봉부가 손상되는 문제점이 발생할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

단계 1: 직경이 16 cm이고 두께가 0.8 mm인 원형의 고표면적 니켈전극을 산소전극, 수소전극으로 준비하였다. 분리막으로는 두께가 0.1 mm이고 기공사이즈가 약 0.3 ㎛인 다공성 PES(폴리에테르 설폰) 고분자막을 준비하였다. 스페이서로는 두께가 2 mm 이상이고 공극의 크기가 300 ㎛인 니켈폼을 사용하였다.

상기 산소전극, 분리막 및 수소전극을 순차적으로 배치하고, 상기 MEA(membrane-electrode assembly)의 산소전극의 상부, 수소전극의 하부에 각각 스페이서를 배치하였다.

상기 스페이서를 포함하는 MEA를 5개 적층하되, 두께 0.5 mm의 SUS(stainless steel) 호일을 배전판으로 하여 상기 스페이서를 포함하는 MEA 사이에 각각 배치하였다. 밀봉부로는 두께 1.5 mm의 플라스틱 틀에 산소전극용, 수소전극용으로 제1유로 및 제2유로와 채널, 고정부를 형성하여 밀봉부로 사용하였으며, 이를 스페이서를 포함하는 MEA의 측면부에 산소전극용 수소전극용으로 배치하여 교차로 적층하였다.

단계 2: 상기 단계 1의 적층된 스페이서를 포함하는 MEA의 최상단 및 최하단에 각각 두께 5 mm의 SUS 플레이트를 양극전극판 및 음극전극판으로 하여 설치하였다.

단계 3: 상기 단계 1에서 형성된 고정부에 볼트를 삽입하고, 너트를 조임으로써 100기압의 압력으로 상기 단계 1 및 2에서 제조된 스택을 압축하여 전기분해장치 스택을 제조하였다.

상기 전기분해장치의 산소전극과 연결되어 있는 최상단의 전극은 직류전원의 양극에, 수소전극과 연결되어 있는 최하단의 전극은 직류전원의 음극에 연결하고, 제1유로 및 제2유로는 기체-액체 분리기에 연결하였다.

상기 전기분해장치 스택은, 기체-액체 분리기에 연결된 제2유로에 전해액(KOH)이 투입되어 밀봉부 내의 제2유로 및 채널을 거쳐 수소전극으로 전해액이 전달된다. 상기 수소전극에서 배전판 및 스페이서를 통해 흐른 전기로 인해 전해액이 전기분해되면서 수소가 발생한다. 발생된 수소는 또 다른 제2유로를 통해 전해액과 함께 이동하고, 다시 기체-액체 분리기로 투입되면서 수소기체와 전해액이 분리되고 이로 인해 수소기체를 얻게 된다. 산소기체는 제1유로에서 전달된 전해액에 의해, 분리막에 의해 분리된 산소전극으로부터 생성되며 전해액과 함께 또 다른 제1유로로 이동하므로, 수소기체와 분리될 수 있다.

<실험예 1>

상기 실시예 1에서 제조된 전기분해장치 스택의 작동 여부를 검사하기 위해 전압-전류와의 관계를 직류전원장치와 전류계를 사용하여 관찰하고 이를 도 7에 도시하였다.

도 7에 도시한 바와 같이, 15 V의 전압을 스택에 인가하는 경우 5 A의 전류가 흐르며, 16 V의 전압에서는 15 A, 17 V에서는 44 A의 전류가 흐르고, 18V에서는 93 A, 18.17 V에서는 100 A의 전류가 흐름을 알 수 있다.

이를 통해, 전압에 따라 스택에 전류가 흐름으로써, 본 발명과 같이 저렴한 가격과 간단한 공정으로 제조되는 전기분해장치 스택이 구동됨을 확인할 수 있으며, 전압이 커짐에 따라 전류의 세기도 커짐을 확인할 수 있었다.

10: 산소전극
11: 개구부
20: 수소전극
21: 개구부
30: 스페이서
40: 밀봉부(산소전극용)
41: 밀봉부(수소전극용)
42: 돌출부
50: 배전판
60: 분리막
61: "O"링
70/170: 고정부
72: 제1유로
74: 제2유로
76: 제1유로
78: 제2유로
82/84/86/88: 채널
100: 양극전극판 또는 음극전극판
150: 전기분해장치 스택
200: 기체-액체 분리기

Claims

수소전극, 산소전극 및 상기 수소전극과 산소전극 사이에 배치된 분리막을 포함하는 MEA(membrane-electrode assembly);,
상기 수소전극의 일면 및 산소전극의 일면에 각각 배치된 스페이서;,
상기 스페이서의 일면에 각각 배치된 배전판; 및
상기 스페이서와 접하여 배치되고, 내부에 상기 수소전극 및 산소전극이 배치되고, 상기 수소전극 및 산소전극을 포함하는 MEA와 연결된 유로부를 포함하는 밀봉부를 포함하고,
상기 수소전극 또는 산소전극은 니켈분말을 포함한 상태로 가압성형된 다공성 니켈지지체를 포함하고,
상기 밀봉부는 상부면 또는 하부면에 페루프선 형태의 돌출부를 포함하고, 상기 페루프선 내측에 상기 유로부가 위치하도록 형성하고,
상기 스페이서는 공극을 포함하고 신축성이 있는 니켈폼인 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
제1항에 있어서,
상기 수소전극 또는 산소전극은 니켈전극이며,
상기 니켈전극은 니켈분말을 포함한 상태로 가압성형된 다공성 니켈지지체를 포함하고, 상기 다공성 지지체는 표면에 니켈박막 또는 니켈합금박막이 형성된 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
제1항에 있어서,
상기 밀봉부는 전극 및 스페이서가 배치될 수 있는 개구부;
전해액, 산소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 통과할 수 있는 한 쌍의 제1유로부;
전해액, 수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 통과할 수 있는 한 쌍의 제2유로부; 및
상기 개구부와 제1유로부 또는 개구부와 제2유로부를 연결하는 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 밀봉부는 1 내지 5 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
제1항에 있어서,
상기 밀봉부는 개구부 부위에 층계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
제1항에 있어서,
상기 분리막은 다공성 고분자막 혹은 알칼리성 이온교환수지 고분자막이고,
상기 밀봉부는 전극 및 스페이서가 배치될 수 있는 개구부;
전해액, 산소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 통과할 수 있는 한 쌍의 제1유로부;
전해액, 수소 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종이 통과할 수 있는 한 개의 제2유로부; 및
상기 개구부와 제1유로부 또는 개구부와 제2유로부를 연결하는 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 배전판은 0.1 내지 1 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
제1항의 전기분해장치를 복수 개로 포함하는 전기분해장치 스택.
제10항에 있어서,
상기 전기분해장치 스택 중 분리막은 한 쌍의 제1유로부 및 한 쌍의 제2유로부와 동일한 위치에 개구가 형성되어 각 전기분해장치들이 병렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치 스택.
제10항에 있어서,
상기 전기분해장치는 제1유로부 및 제2유로부를 각각 한 쌍을 포함하고, 상기 전기분해장치 스택 중 분리막은 한 쌍의 제1유로부 중 어느 하나 및 한 쌍의 제2유로부 중 어느 하나와 동일한 위치에 개구가 형성되어,
상기 두 개의 제1유로부는 적층된 상기 전기분해장치와 교차적으로 연결되어 상기 전기분해장치를 직렬로 연결하도록 형성하고,
상기 두 개의 제2유로부는 적층된 상기 전기분해장치와 교차적으로 연결되어 상기 전기분해장치를 직렬로 연결하도록 형성하여,
각 전기분해장치들이 직렬로 결합되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치 스택.
제1항에 있어서,
상기 밀봉부는 폴리프로필렌, 폴리설폰, 폴리스티렌, 폴리페닐렌 옥사이드, 폴리페닐렌 설파이드, 폴리페닐렌 에테르, 폴리에테르 이미드, 폴리이미드, 폴라아미드, 폴리에테르 케톤, 폴레에틸렌, 플루오르화 폴리머, 에폭시 및 폴라카보네이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
산소전극, 분리막 및 수소전극을 순차적으로 포함하는 MEA(membrane-electrode assembly)의 산소전극의 상부, 수소전극의 하부에 각각 스페이서를 배치하고, 상기 스페이서를 포함하는 MEA 복수 개를 적층하되,
상기 스페이서를 포함하는 MEA 사이에는 배전판을 배치하고,
상기 스페이서를 포함하는 MEA 측면부에는 밀봉부를 배치하는 단계(단계 1);
상기 단계 1의 적층된 스페이서를 포함하는 MEA의 최상단 및 최하단에 각각 양극전극판 및 음극전극판을 설치하는 단계(단계 2); 및
상기 양극전극판 및 음극전극판에 대하여 압력을 가하여 상기 스페이서를 압축시키는 단계(단계 3);을 포함하고,
상기 수소전극 또는 산소전극은 니켈분말을 포함한 상태로 가압성형된 다공성 니켈지지체를 포함하고, 상기 밀봉부는 상부면 또는 하부면에 페루프선 형태의 돌출부를 포함하고, 상기 스페이서는 공극을 포함하고 신축성이 있는 니켈폼인 것을 특징으로 하는 전기분해장치 스택의 제조방법.
제14항에 있어서,
상기 단계 3의 압력은 10 내지 500 기압인 것을 특징으로 하는 전기분해장치 스택의 제조방법.