KR102131237B1

KR102131237B1 - 알칼라인 수전해 셀 조립체

Info

Publication number: KR102131237B1
Application number: KR1020180100636A
Authority: KR
Inventors: 강경수; 배기광; 박주식; 김종원; 정성욱
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2018-08-27
Filing date: 2018-08-27
Publication date: 2020-07-07
Also published as: KR20200024019A

Abstract

본 발명은 스택 유닛을 구성하는 분리막과 금속판(바이폴라 플레이트)과 조립되는 셀프레임의 구조를 개선하기 위한 알칼라인 수전해 셀 조립체에 관한 것으로, 분리막(110)이 조립되는 제1셀프레임(130A)과, 바이폴라 플레이트(120)가 조립되는 제2셀프레임(130B)을 갖는 스택 유닛(100)이 복수 개로 적층 형성되어 전해질 용액의 전기 분해에 의해 수소와 산소를 발생시키는 알칼라인 수전해 셀 조립체(100)에 있어서, 상기 제1셀프레임(130A)과 상기 제2셀프레임(130B)은, 중앙에 분리막(110) 또는 바이폴라 플레이트(120)가 안착 위치하게 되는 관통부(131)가 형성되고, 상기 관통부(131)의 주변으로 복 수개의 전해질 덕트(132)(133)와 가스 덕트(134)(135)가 관통 형성되어 서로 동형 구조를 갖는 원형의 공통 셀프레임(130)으로서, 상기 관통부(131)와 상기 전해질 덕트(132)(133) 중 적어도 하나와 서로 연통하게 되는 제1유로(136)와, 상기 관통부(131)와 상기 가스 덕트(134)(135) 중 적어도 하나와 연통하게 되는 제2유로(137)가 상기 공통 셀프레임(130)의 일측 면 상에 형성되되, 상기 제1유로(136)와 상기 제2유로(137)는 상기 공통 셀프레임(130)에 대해 서로 좌우 대칭이며, 상기 제1셀프레임과 상기 제2셀프레임은 서로 회전 대칭(180°/n; n은 양의 정수)되게 배치된다.

Description

알칼라인 수전해 셀 조립체{Alkaline electrolysis cell assembly}

본 발명은 알칼라인 수전해 셀 조립체에 관한 것으로서, 스택 유닛을 구성하는 분리막과 금속판(바이폴라 플레이트)과 조립되는 셀프레임의 구조를 개선하기 위한 알칼라인 수전해 셀 조립체에 관한 것이다.

전기 화학전지는 화학 변화가 일어날 때의 에너지 변화를 전기 에너지로 변환하는 장치로서 일반적으로 연료전지(fuel cell)와 전기분해 전지(electrolysis cell)로 분류되며, 예를 들어, 물을 전기분해하여 수소와 산소 가스를 발생시키는 수소 발생장치로 기능할 수 있다. 연료전지는 수소가 전기화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다.

알칼라인 수전해 시스템은 수십 년 동안 상업적으로 사용되고 있다. 알칼라인 수전해 시스템은 액체 전해질이 위치한 두 개의 전극에 직류 전압이 인가되어 양극에서 산소가 생성되고 음극에서 수소가 발생되며, 이온 투과성 분리막이 가스를 분리하게 된다.

도 1은 종래기술의 알칼라인 수전해 시스템의 구성을 보여주는 구성도이다.

도 1을 참고하면, 종래기술의 스택 조립체(10)는 바이폴라 플레이트(21)와 분리막(22)으로 구성된 스택 유닛(20)이 다수 개로 적층되어 구성되며, 대단위 설비에서 스택 유닛(20)은 백여 개 이상이 될 수 있다.

이러한 스택 조립체(10)의 엔드 플레이트인 양극(31)과 음극(32)에 직류 전원(50)이 공급된다. 각 스택 유닛(20)은 분리막(22)에 의해 분리되어 인접한 스택 유닛(20) 사이에서 생성된 수소와 산소가 혼합되는 것을 방지한다.

펌프(미도시)에 의해 스택 조립체(10)에는 전해질 용액이 공급되며, 전해질 용액으로는 일정 농도의 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화리튬(LiOH) 등이 사용된다.

스택 조립체(10)는 두 개의 채널이 마련되어 각 스택 유닛(20)에 전해질 용액이 공급되며, 각 스택 유닛(20)에 공급된 전해질 용액에 전류가 흐르게 되면 바이폴라 플레이트(21)의 일측 면(양극과 인접한 면; 양극 면)은 양전하가 유도가 되고 타측 면(음극과 인접한 면; 음극 면)은 음전하가 유도된다.

따라서 각 스택 유닛(20)에 공급된 전해질 용액은 바이폴라 플레이트(21)를 따라서 흐르면서 전기 분해가 이루어져 양극 면에서 산소가 발생되고 음극 면에서 수소가 발생된다. 이때, 발생된 산소와 수소는 분리막(22)에 의해 서로 혼합되는 것이 방지되는 반면에 이온은 투과가 가능하여 양극 면과 음극 면 사이에서 전류의 흐름이 발생될 수 있다.

이와 같이 각 스택 유닛(20)에서 발생된 수소와 산소는 스택 조립체(10)에 마련된 별도의 채널을 통해 배기가 이루어져 별도의 리저버에 저장된다.

이와 같은 종래기술의 스택 조립체(10)는 스택 유닛 사이의 기밀을 위한 가스켓, 스택을 일체로 조립하기 위한 볼트 등과 같은 다수의 구성 부품으로 이루어지며, 또한 용량에 따라서 스택 유닛의 숫자는 현저히 증가할 수 있다.

특히 스택 조립체의 조립 과정에서 분리막과 바이폴라 플레이트는 전해질 용액용 유로와 가스(수소/산소) 배출용 유로가 형성된 별도의 프레임을 매개로 하여 조립이 이루어지며, 이러한 프레임은 전극(양극/음극)용 프레임 또는 분리막용 프레임과 바이폴라 플레이트용 프레임으로 각각 별도로 제작된다.

등록특허공보 제10-1769751호(공고일자: 2017.08.21.)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스택 유닛을 구성하는 분리막과 금속판(바이폴라 플레이트)과 조립되는 셀프레임의 구조를 개선하여 공통된 구조를 갖는 셀프레임을 채용하여 부품수를 절감하며, 기밀성을 높일 수 있는 알칼라인 수전해 셀 조립체를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 셀 조립체는, 분리막이 조립되는 제1셀프레임과, 바이폴라 플레이트가 조립되는 제2셀프레임을 갖는 스택 유닛이 복수 개로 적층 형성되어 전해질 용액의 전기 분해에 의해 수소와 산소를 발생시키는 알칼라인 수전해 셀 조립체에 있어서, 상기 제1셀프레임과 상기 제2셀프레임은, 중앙에 분리막 또는 바이폴라 플레이트가 안착 위치하게 되는 관통부가 형성되고, 상기 관통부의 주변으로 복 수개의 전해질 덕트와 가스 덕트가 관통 형성되어 서로 동형 구조를 갖는 원형의 공통 셀프레임으로서, 상기 관통부와 상기 전해질 덕트 중 적어도 하나와 서로 연통하게 되는 제1유로와, 상기 관통부와 상기 가스 덕트 중 적어도 하나와 서로 연통하게 되는 제2유로가 상기 공통 셀프레임의 일측 면 상에 형성되되, 상기 제1유로와 상기 제2유로는 상기 공통 셀프레임에 대해 서로 좌우 대칭이며, 상기 제1셀프레임과 상기 제2셀프레임은 서로 회전 대칭(180°/n; n은 양의 정수)되게 배치된다.

바람직하게는, 상기 공통 셀프레임은 상기 제1,2유로가 형성된 반대 면에 상기 관통부를 따라서 분리막 또는 바이폴라 플레이트가 삽입 위치하게 되는 안착홈이 형성된다.

바람직하게는, 상기 전해질 덕트와 상기 가스 덕트는 각각 서로 인접하여 한 쌍으로 구성되어 공통 셀프레임의 회전축에 대해 180°회전 대칭되게 배치된다.

본 발명에 따른 수전해 셀 조립체는, 분리막이 조립되는 제1셀프레임과, 바이폴라 플레이트가 조립되는 제2셀프레임을 갖는 스택 유닛이 복수 개로 적층 형성되어 전해질 용액의 전기 분해에 의해 수소와 산소를 발생시키는 알칼라인 수전해 셀 조립체에 있어서, 상기 제1셀프레임과 상기 제2셀프레임은 복수의 전해질 덕트 및 가스 덕트와, 전해질과 가스의 흐름을 위한 유로 구조가 서로 동형 구조를 갖는 공통 셀프레임에 의해 제공되어 회전 대칭되게 배치되어 적층 조립됨으로써 셀프레임을 따로 제작할 필요 없이 제작 비용을 절감하고 생산성을 높일 수 있다.

도 1은 종래기술의 알칼라인 수전해 시스템의 구성을 보여주는 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알칼라인 수전해 셀 조립체의 분해 사시도,
도 3 내지 도 5는 본 발명의 공통 셀프레임을 보여주는 평면 구성도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 알칼라인 수전해 셀 조립체의 단면 구성도.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알칼라인 수전해 셀 조립체(이하, "셀 조립체"로도 약칭함)의 분해 사시도이다.

도 2를 참고하면, 본 실시예의 셀 조립체(100)는 양단의 엔드 플레이트(101)(102)가 배치되며, 두 엔드 플레이트(101)(102) 사이에 배치되어 분리막(110)이 조립되는 제1셀프레임(130A)과 바이폴라 플레이트(120)가 조립되는 제2셀프레임(130B)로 구성된 스택 유닛(A)(B)이 다수 개 적층된다. 적층되어 구성되는 스택 유닛(A)(B)의 숫자는 용량에 따라서 결정된다.

엔드 플레이트(101)(102)는 각각 직류 전원이 공급되는 양극 단자와 음극 단자 역할을 하며, 엔드 플레이트(101)(102)와 함께 스택 유닛(A)(B)은 볼트 또는 용접 등에 의해 일체로 구성된다.

스택 유닛(A)(B)은 분리막(110)과 조립되는 제1셀프레임(130A)을 갖는 제1스택 유닛(A)과, 바이폴라 플레이트(120)와 조립되는 제2셀프레임(130B)을 갖는 제2스택 유닛(B)으로 최소 단위로 구성되며, 이러한 스택 유닛(A)(B)이 차례로 적층되어 스택 조립체를 구성한다.

바람직하게는, 제1스택 유닛(A)과 제2스택 유닛(B) 사이에는 기밀을 위한 주지의 가스켓(140)이 구비된다.

특히 본 발명에서 제1스택 유닛(A)을 구성하는 제1셀프레임(130A)과 제2스택 유닛(B)을 구성하는 제2셀프레임(130B)은 서로 동형 구조(크기, 형상)를 가지며, 제1셀프레임(130A)과 제2셀프레임(130B)은 서로 회전축 방향에 대해 180° 회전 대칭되게 배치됨을 특징으로 한다. 참고로 이하 설명에서 제1셀프레임(130A)과 제2셀프레임(130B)은 별도의 구분이 필요하지 않으면 공통 셀프레임(130)으로 지칭한다.

도 3 내지 도 6은 본 발명의 공통 셀프레임을 보여주는 평면 구성도이다.

도 3을 참고하면, 본 실시예의 공통 셀프레임(130)은 전체가 원형의 디스크로서, 중앙에 분리막 또는 바이폴라 플레이트가 안착 위치하게 되는 관통부(131)가 형성되며, 또한 일측 면 상에 관통부(131)의 주변으로 관통 형성된 두 개의 전해질 덕트(132)(133) 및 두 개의 가스 덕트(134)(135)와, 관통부(131)와 전해질 덕트(132)(133) 중의 하나와 연통하게 되는 제1유로(136)와, 관통부(131)와 가스 덕트(134)(135) 중의 하나와 연통하게 되는 제2유로(137)가 마련된다.

바람직하게는, 제1유로(136)와 제2유로(137)는 공통 셀프레임(130)의 회전축(C1)을 관통하는 동일 평면 상의 중심축(C2)에 대해 대칭되게 마련된다.

본 실시예에서 두 개의 전해질 덕트(132)(133)는 적층 구성된 공통 셀프레임(130)을 따라서 연속된 채널을 형성하여 전해질의 공급이 이루어지며, 각각의 가스 덕트(134)(135)는 수소와 산소의 배출을 위한 채널의 역할을 한다.

참고로, 도 2에서는 이해를 돕기 위하여 각 덕트(132)(133)(134)(135)를 구분하여 전해질 덕트와 가스 덕트로 지칭하고 있으나, 각 덕트는 절대적으로 전해질 용액과 가스의 흐름을 위한 것이 아니며, 다음에서 다시 구체적으로 설명하겠으나 공통 셀프레임의 배치 위치에 따라서 각 공통 셀프레임의 덕트를 흐르게 되는 매체(전해질/가스)는 변경될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

도 4는 도 3에 도시된 공통 셀프레임(130)을 회전축(C1) 방향으로 180°회전시킨 상태를 보여주고 있으며, 각 덕트(132)(133)(134)(135)의 상대적 배치는 동일하게 유지되고 각 유로(136)(137)의 배치가 달라진다.

따라서 분리막 또는 바이폴라 플레이트와 조립되는 공통 셀프레임을 적층 조립할 때 서로 인접한 공통 셀프레임이 180°회전 대칭되게 적층 조립함으로써 각 스택 유닛에서 발생되는 수소 가스와 산소 가스의 배출 채널을 구분할 수가 있다.

도 5는 도 3에 도시된 공통 셀프레임(130)의 배면 구성도로서, 공통 셀프레임(130)은 제1,2유로가 형성된 반대 면에 관통부(131)를 따라서 분리막 또는 바이폴라 플레이트가 삽입 위치하게 되는 안착홈(131a)이 형성될 수 있다.

이와 같이 셀프레임의 일측 면에 전해질 또는 가스의 흐름을 위한 유로를 형성하며, 그 반대 면에 분리막 또는 바이폴라 플레이트가 안착되어 기밀(sealing) 유지를 위한 안착홈이 형성됨으로써 기밀 유지를 위한 구조(안착홈)과 분리막(또는 바이폴라 플레이트)가 서로 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

도 6은 도 3의 d-d선에 대응되는 셀 조립체의 단면 구성도로서, 양단의 엔드 플레이트는 생략되어 있다.

도 6에 예시된 것과 같이, 셀 조립체는 동형의 공통 셀프레임에 의해 제공되어 분리막(110)과 바이폴라 플레이트(120)와 조립되는 제1셀프레임(130A)과 제2셀프레임(130B)을 포함하는 제1스택 유닛(A)과 제2스택 유닛(B)이 차례로 적층 형성된 스택 구조를 가지며, 이때 제1셀프레임(130A)과 제2셀프레임(130B)은 서로 180°회전 대칭되게 배치된다.

따라서 각 셀프레임의 전해질 덕트(132)를 따라서 형성된 전해질 채널을 따라서 전해질 용액이 공급되며, 이때 각 셀프레임에 마련된 두 개의 전해질 덕트 중 어느 하나와 연통된 각 유로를 통해 전해질 용액이 공급된다.

한편, 셀 조립체에 인가된 직류 전원에 의해 바이폴라 플레이트(120)의 양측 면에 각각 양극 면과 음극 면이 형성되어 전기 분해가 이루어져 가스 덕트를 통해 각각 산소 가스와 수소 가스가 배출된다. 도 6에서는 전기 분해에 의해 발생된 수소 가스가 제2유로(137)와 연통된 수소 덕트(134)를 통해 배출되는 것을 보여주고 있다.

서로 인접한 제1스택 유닛(A)과 제2스택 유닛(B) 사이에는 기밀을 위한 가스켓(140)이 삽입되며, 또한 공통 셀프레임의 유로 형성면과 분리막(또는 바이폴라 플레이트)이 안착 위치하는 면을 공통 셀프레임의 서로 반대 면에 배치함으로써 분리막(또는 바이폴라 플레이트)과 유로가 서로 간섭하는 것을 방지할 수 있으며, 분리막과 바이폴라 플레이트는 적층되는 공통 셀프레임에 의해 압착되어 기밀성을 높일 수가 있다.

한편 본 실시예에서는 두 개의 전해질 덕트와 두 개의 가스 덕트를 갖는 공통 셀프레임을 예시하여 설명하였으나, 전해질 덕트와 가스 덕트의 숫자는 두 개 이상으로 구성될 수 있으며, 이때 각 덕트의 위치는 공통 셀프레에 대해 좌우 대칭되게 배치되어 회전축 방향으로 회전 대칭(180°/n; n은 양의 정수)되게 배치되는 범위 내에서 다양하게 변경될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 또한 본 실시예들에서는 이해를 돕기 위하여 각 실시예들을 구별하여 설명하였으나, 각 실시예들은 서로 양립 가능한 범위 내에서 조합될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

100 : 셀 조립체 110 : 분리막
120 : 바이폴라 플레이트 130 ; 공통 셀프레임
131 : 관통부 131a : 안착홈
132, 133 : 전해질 덕트 134, 135 : 가스 덕트
136 : 제1유로 137 : 제2유로
140 : 가스켓

Claims

분리막이 조립되는 제1셀프레임과, 바이폴라 플레이트가 조립되는 제2셀프레임을 갖는 스택 유닛이 복수 개로 적층 형성되어 전해질 용액의 전기 분해에 의해 수소와 산소를 발생시키는 알칼라인 수전해 셀 조립체에 있어서,
상기 제1셀프레임과 상기 제2셀프레임은,
중앙에 분리막 또는 바이폴라 플레이트가 안착 위치하게 되는 관통부가 형성되고, 상기 관통부의 주변으로 복수 개의 전해질 덕트 및 복수 개의 가스 덕트가 관통 형성되어 서로 동형 구조를 갖는 원형의 공통 셀프레임으로서, 상기 관통부와 상기 복수 개의 전해질 덕트 중 적어도 하나와 서로 연통하게 되는 제1유로와, 상기 관통부와 상기 복수 개의 가스 덕트 중 적어도 하나와 서로 연통하게 되는 제2유로가 상기 공통 셀프레임의 일측 면 상에 형성되되, 상기 제1유로와 상기 제2유로는 상기 공통 셀프레임에 대해 서로 좌우 대칭이며, 상기 제1셀프레임과 상기 제2셀프레임은 서로 회전 대칭(180°/n; n은 양의 정수)되게 배치됨을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 셀 조립체.
제1항에 있어서, 상기 공통 셀프레임은 상기 제1,2유로가 형성된 반대 면에 상기 관통부를 따라서 분리막 또는 바이폴라 플레이트가 삽입 위치하게 되는 안착홈이 형성됨을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 셀 조립체.
제1항에 있어서, 상기 복수 개의 전해질 덕트와 상기 복수 개의 가스 덕트는 각각 서로 인접하여 한 쌍으로 구성되어 공통 셀프레임의 회전축에 대해 180°회전 대칭되게 배치됨을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 셀 조립체.