KR102158604B1 - 기체방지투과층을 포함하는 알칼라인 수전해 셀 및 그 제조방법 - Google Patents

기체방지투과층을 포함하는 알칼라인 수전해 셀 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알칼라인 수전해 셀 및 그 제조방법을 제공한다. 상기 알칼라인 수전해 셀은 서로 이격하게 배치된 환원극 및 산화극, 상기 환원극 및 상기 산화극 사이에 형성된 전해질, 상기 전해질 내에 위치하는 이온 교환용 다공질 격막 및 상기 환원극의 표면 상, 상기 이온교환용 다공질 격막의 내부 중 적어도 하나에 형성된 기체투과방지층을 포함할 수 있다. 상기 기체투과방지층은 상기 환원극에서 생성된 수소 기체를 산화시켜 상기 환원극에서 상기 산화극으로 수소 기체가 투과하는 것을 방지할 수 있다. 본 발명은 수소기체의 투과를 방지하여 단위부품의 열화를 방지하고 수전해 셀의 내구성 및 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

기체방지투과층을 포함하는 알칼라인 수전해 셀 및 그 제조방법{Alkaline electrolysis cell comprising gas-barrier layer and method for manufacturing the same}
본 발명은 물 전기분해 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기체투과방지층이 추가된 알칼라인 수전해 셀 및 그 제조방법에 관한 것이다.
화석연료 사용에 의한 범지구적인 환경문제와 이를 해결하기 위한 대책의 하나로 청정하고 재생가능한 수소에너지의 개발과 이용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 수소에너지는 청정에너지로서 2차 에너지원이고, 에너지 담체로도 사용이 가능하다. 수소제조 방법 중에서, 특히, 수전해를 이용한 방법은 신재생 에너지원과의 접목을 고려할 때 가장 효율적이고 실용적인 방법으로 여겨지고 있다. 수전해 수소제조 기술은 전기를 이용하여 수소를 물로부터 직접 제조하는 방법으로, 화석연료 이용 제조방법과 비교하여 수소를 제조할 때 지구환경 오염물질인 이산화탄소의 배출이 없다. 수전해 방법 중에서 알칼라인 수전해는 오래전부터 알려진 수소제조 방법으로 전해액으로 20～30 wt%의 KOH 혹은 15～20 wt%의 NaOH용액을 사용하며, 이온 교환용 격막, 그리고, 수소와 산소를 발생시키는 전극으로 구성된다. 이러한 알칼라인 수전해는 셀의 양 극에서 발생되는 산소 및 수소기체의 분리막 투과현상이 발생할 수 있으며, 이는 알칼라인 수전해 셀의 성능을 저하시키고 단위부품의 열화를 초래하여 내구성을 저하시키는 주요 원인이다. 종래에는 질소, 아르곤 기체 등 비활성 기체를 주입하는 시스템상의 조치를 통해 수소기체의 투과를 방지하고 있으나, 이는 불필요한 장치가 추가되고 수전해 셀의 효율이 저하되는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제 10-1807287호
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기체투과방지층을 포함하는 알칼라인 수전해 셀 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 상세하게는 수소기체와 반응하여 수소산화반응을 유도하는 기체투과방지층이 포함된 알칼라인 수전해 셀 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 알칼라인 수전해 셀을 제공한다.
상기 알칼라인 수전해 셀은 서로 이격하게 배치된 환원극 및 산화극, 상기 환원극 및 상기 산화극 사이에 형성된 전해질, 상기 전해질 내에 위치하는 이온 교환용 다공질 격막 및 상기 환원극의 표면 상, 상기 이온교환용 다공질 격막의 내부 중 적어도 하나에 형성된 기체투과방지층을 포함할 수 있다.
이때, 상기 기체투과방지층은 상기 환원극에서 생성된 수소 기체를 산화시켜 상기 환원극에서 상기 산화극으로 수소 기체가 투과하는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기체투과방지층은 Pt, NiSe, NiS, NiP, NiMo 및 NiMoCu로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다.
이때, 상기 촉매는 다공성 지지체에 담지된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 기체투과방지층의 두께는 0.1 내지 10 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 알칼라인 수전해 셀의 제조방법을 제공한다.
상기 알칼라인 수전해 셀의 제조방법은 환원극 및 산화극을 이격하게 배치하는 단계, 상기 환원극 및 상기 산화극 사이에 전해질을 형성하는 단계 및 상기 전해질 내에 이온 교환용 다공질 격막을 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 환원극의 표면 상, 상기 이온 교환용 다공질 격막의 내부 중 적어도 하나에 기체투과방지층이 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기체투과방지층은 환원극에서 생성된 수소 기체를 산화시켜 상기 환원극에서 상기 산화극으로 수소 기체가 투과하는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 환원극 표면 상에 형성된 기체투과방지층은 촉매 및 다공성 지지체를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계 및 상기 슬러리를 상기 환원극 표면에 도포하는 단계를 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 이온 교환용 다공질 격막의 내부에 형성된 기체투과방지층은, 촉매 및 다공성 지지체를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계, 상기 슬러리를 제1 다공성 격막층 상에 도포하여 기체투과방지층을 형성하는 단계 및 상기 기체투과방지층 상에 제 2 다공성 격막층을 형성하는 단계를 통해 형성될 수 있다.
또한, 상기 기체투과방지층은 Pt, NiSe, NiS, NiP, NiMo 및 NiMoCu로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기체투과방지층의 두께는 0.1 내지 10 ㎛ 인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 기체투과방지층이 포함된 알칼라인 수전해 셀을 제공할 수 있다. 상기 기체투과방지층은 수소기체와 반응하여 수소산화반응을 유도할 수 있으며, 이를 통해 수소기체가 환원극에서 산화극으로 투과하는 것을 방지하고 산화극 내 수소기체의 농도를 조절할 수 있다. 이를 통해 단위부품의 열화를 방지하고 수전해 셀의 내구성 및 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 종래의 시스템상 조치를 통해 수소기체의 농도를 조절하는 방법에 비해 간이한 구성을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 셀의 개략도이다.
도 2는 기체투과방지층이 환원극의 표면 상에 형성된 알칼라인 수전해 셀을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 기체투과방지층이 이온 교환용 다공질 격막 내부에 형성된 알칼라인 수전해 셀을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 셀의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 상기 알칼라인 수전해 셀은 서로 이격하게 배치된 환원극(130) 및 산화극(140), 상기 환원극(130) 및 상기 산화극(140) 사이에 형성된 전해질(120), 상기 전해질(120) 내에 위치하는 이온 교환용 다공질 격막(110) 및 상기 환원극(130)의 표면 상, 상기 이온교환용 다공질 격막(110)의 내부 중 적어도 하나에 형성된 기체투과방지층(150)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 기체투과방지층(150)은 상기 환원극(130)에서 생성된 수소 기체를 산화시킬 수 있으며, 이를 통해 수소 기체가 상기 환원극(130)에서 상기 산화극(140)으로 투과하는 것을 방지할 수 있다.
알칼리 수전해법(alkaline electrolysis)은 물 전기분해법의 일종으로 전해질로써 알칼리 수용액을 이용하고 수소/산소를 분리하기 위하여 별도의 분리막을 사용하는 기술이다. 구체적으로, 알칼리 수전해법은 산화극과 환원극 사이에 이온 분리막 및 알칼리 수용액(KOH, NaOH)을 주입하고 양 전극에 일정한 전압과 전류를 흐르게 하여 수소를 제조하게 된다. 아래와 같은 반응식에 따라 환원극 및 산화극에서 각각 수소 기체, 산소 기체를 생성하고, 이렇게 생성된 수소, 산소기체는 밖으로 배출된다.
Figure 112018108841869-pat00001
환원극에서 생성된 OH- 이온은 분리막을 통과해 산화극으로 이동하고, 산화극에서 산화되어 물 및 산소기체를 생성한다.
종래의 알칼라인 수전해 셀의 경우 시동 및 정지의 반복운전 시 셀의 양 전극에서 발생하는 수소 및 산소기체가 분리막을 투과하는 현상이 발생할 수 있는데, 이는 단위부품의 열화를 초래하고 셀 성능 및 내구성을 저하시키는 주요 원인이다. 즉, 수소 기체의 분리막 투과로 인해 산화극 내 수소 기체의 농도가 4% 이상이 될 경우 단위부품의 열화를 초래할 수 있다. 종래에는 비활성 기체를 주입하는 방법 등의 시스템상 조치를 통해 수소 기체의 투과를 방지하고 있으나, 이는 불필요한 장치가 추가되고 수전해 셀의 효율을 저하시키는 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 셀은 셀 내부에 기체투과방지층(150)을 도입하여 산화극으로의 수소기체 투과를 방지할 수 있다. 상기 기체투과방지층(150)은 상기 환원극(130)에서 산화극(140)으로 투과하는 수소기체를 산화시켜 상기 산화극(140) 내 수소기체의 농도를 조절할 수 있다. 이때, 수소기체의 산화와 함께 생성된 수소이온은 전해질 내의 OH- 이온과 반응하여 물을 형성할 수 있다.
Figure 112018108841869-pat00002
이때, 상기 기체투과방지층(15)은 다공성으로 구성될 수 있으며, 이에 따라 분리막과 전극 내 OH-이온의 전도도 저하를 최소화 할 수 있다.
상기 환원극(130)에서는 수소이온이 환원되어 수소기체가 배출되고, 상기 산화극(140)에서는 수산화 이온이 산화되어 산소기체가 배출된다. 수전해의 경우 산소가 발생하는 환원극에서 전극의 내식성이 문제가 되며, 따라서 알칼리 수전해용 전극으로는 산소 또는 수소 발생시 과전압이 낮고, 내식성이 큰 물질이 바람직하다. 이러한 관점에서, 상기 환원극(130) 및 상기 산화극(140)의 재료는 Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn Y, Zr, Nb, Mo, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, 및 Au로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 합금, 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 Ni, Co, Fe 및 Cu로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 합금, 산화물 또는 질화물을 포함할 수 있다.
상기 전해질(120)은 알칼리 수용액으로 구성되며, 상기 알칼리 수용액이란 염기성을 나타내는 수용액을 의미한다. 이때, 상기 알칼리 수용액은 알칼리금속 또는 알칼리토금속 원소의 수산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 알칼리 금속의 수산화물은 LiOH, NaOH, KOH, RbOH 및 CsOH로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 수산화물을 포함할 수 있다.
상기 이온 교환용 다공질 격막(110)은 상기 전해질(120) 내부에 위치하여 전해질 내의 특정 이온을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
이때, 상기 이온 교환용 다공질 격막(110)은 막의 망(membrane matrix)에 붙은 이온화 군의 형태에 따라 양이온 또는 음이온을 선택적으로 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 교환용 다공질 격막(110)은 막 근간(membrane backbone)에 -SO3-, -COO-, -PO3 2-, -PO3H-, -C6H4O- 와 같은 음이온 군이 있는 경우 양이온만을 선택적으로 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 교환용 다공질 격막(110)은 막 근간(membrane backbone)에 -NH3+, -NRH2+, -NR2H+, -NR3+, -PR3+, -SR2+와 같이 양이온 군이 있는 경우 음이온만을 선택적으로 통과시킬 수 있다.
상기 기체투과방지층(150)은 알칼라인 수전해 셀 내부에서 수소기체를 산화시킬 수 있는 촉매를 포함할 수 있다.
이때, 상기 촉매는 수소기체와 반응하여 수소산화반응(hydrogen oxidation reaction)을 유도할 수 있는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 기체투과방지층(150)은 Pt, NiSe, NiS, NiP, NiMo 및 NiMoCu로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다.
상기 촉매는 다공성 지지체에 담지되어 상기 기체투과방지층(150)을 형성할 수 있다. 상기 촉매는 수소기체와 반응하는 표면적을 넓히기 위해 나노 크기의 미립자의 형태로 사용될 수 있다. 상기 다공성 지지체는 나노 크기의 상기 촉매를 고정하고 구조적 안정성을 제공할 수 있다. 상기 다공성 지지체는 다공성 물질로 구성되어 전해질 내 이온의 전도성을 확보할 수 있다. 상기 다공성 지지체는 알칼라인 수전해 셀 내에서 화학적 및 기계적으로 안정하고 이온의 전달에 문제가 없는 것이라면 제한없이 사용될 수 있다.
예를 들어, 상기 다공성 지지체는 다공성 금속, 다공성 세라믹 또는 세라믹이 코팅된 다공성 금속을 포함할 수 있다. 상기 다공성 금속의 소재로는 스테인레스 스틸, 니켈(Ni) 또는 인코넬(Inconel)이 사용될 수 있다. 상기 다공성 세라믹의 소재로는 Al, Ti, Zr 또는 Si를 기반으로 한 산화물이 사용될 수 있다.
상기 기체투과방지층(150)의 두께는 너무 두껍거나 너무 얇지 않은 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 기체투과방지층(150)의 두께가 0.1 ㎛ 미만인 경우 수소기체를 산화시키는 효과가 감소되고 상기 기체투과방지층(150)의 구조적 안정성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 상기 기체투과방지층(150)의 두께가 10 ㎛ 초과인 경우 너무 두꺼워 전해질 내 이온의 투과를 저해할 수 있어 바람직하지 않다. 따라서 상기 기체투과방지층의(150)의 두께는 0.1 ㎛ 내지 10 ㎛ 인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 셀은 상기 환원극(130) 및 상기 산화극(140) 각각의 외측에 전극 분리판(bipolar plate)을 추가로 포함할 수 있다. 상기 전극 분리판은 전해질 주입부 및 배출부를 구비할 수 있으며, 이를 통해 상기 환원극(130) 및 상기 산화극(140)에 전해질을 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 전극 분리판은 스테인레스 스틸의 소재로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알칼라인 수전해 셀은 상기 기체투과방지층(150)을 수소기체의 산화극으로의 투과 경로에 배치하여 수소기체의 투과를 방지할 수 있다.
예를 들어, 상기 기체투과방지층(150)은 상기 환원극(130)의 표면 상, 상기 이온 교환용 다공질 격막(110)의 내부 중 적어도 하나에 형성될 수 있다.
도 2는 기체투과방지층이 환원극의 표면 상에 형성된 알칼라인 수전해 셀을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 상기 환원극(130)의 표면 상에 상기 기체투과방지층(150)이 형성된 경우, 상기 환원극(130)에서 생성된 수소기체는 상기 환원극(130)의 표면 상에 형성된 상기 기체투과방지층(150)에 의해 산화될 수 있다. 상기 환원극의 표면 상에 형성된 기체투과방지층(150)은 수전해 셀 외부로 배출되려는 수소기체를 산화시킬 수 있으며, 이에 따라 셀 외부로 배출되는 수소기체량을 감소시킬 수 있다.
도 3은 기체투과방지층(150)이 이온 교환용 다공질 격막(110)의 내부에 형성된 알칼라인 수전해 셀을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 상기 환원극(130)에서 생성되어 상기 산화극(140)으로 투과하는 수소기체는 상기 이온 교환용 다공질 격막(110)의 내부에 형성된 상기 기체투과방지층(150)에 의해 산화될 수 있다. 상기 이온 교환용 다공질 격막(110)의 내부에 상기 기체투과방지층(150)이 형성된 경우, 수전해 셀 외부로 배출되지 않고 산화극으로 투과하려는 수소기체만을 선택적으로 산화시킬 수 있는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 알칼라인 수전해 셀의 제조방법에 대해 설명한다.
환원극 및 산화극을 이격하게 배치하는 단계, 상기 환원극 및 상기 산화극 사이에 전해질을 형성하는 단계 및 상기 전해질 내에 이온 교환용 다공질 격막을 위치시키는 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 환원극의 표면 상, 상기 이온 교환용 다공질 격막의 내부 중 적어도 하나에 기체투과방지층이 형성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 기체투과방지층은 환원극에서 생성된 수소 기체를 산화시켜 상기 환원극에서 상기 산화극으로 수소 기체가 투과하는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 환원극 표면 상에 형성된 기체투과방지층은 촉매 및 다공성 지지체를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계 및 상기 슬러리를 상기 환원극 표면에 도포하는 단계를 통해 형성될 수 있다.
이때, 상기 슬러리를 상기 환원극 표면에 도포하는 방법은 딥코팅, 스프레이코팅, 스핀코팅, 스크린프린팅, 분무코팅, 롤코팅, 블레이드코팅, 그라비아코팅 또는 닥터블레이딩법에 의해 수행될 수 있다.
상기 이온 교환용 다공질 격막의 내부에 형성된 기체투과방지층은 촉매 및 다공성 지지체를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계, 상기 슬러리를 제1 다공성 격막층 상에 도포하여 기체투과방지층을 형성하는 단계 및 상기 기체투과방지층 상에 제 2 다공성 격막층을 형성하는 단계를 통해 형성될 수 있다.
이때, 상기 슬러리를 상기 제 1다공성 격막층 상에 도포하는 방법은 딥코팅, 스프레이코팅, 스핀코팅, 스크린프린팅, 분무코팅, 롤코팅, 블레이드코팅, 그라비아코팅 또는 닥터블레이딩법에 의해 수행될 수 있다.
상기 기체투과방지층은 Pt, NiSe, NiS, NiP, NiMo 및 NiMoCu로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함할 수 있다. 상기 촉매는 알칼라인 수전해 셀 내부에서 수소기체를 산화시킬 수 있으며, 이에 따라 수소기체가 산화극으로 투과하는 것을 방지할 수 있다.
상기 기체투과방지층을 0.1 내지 10 ㎛ 의 두께로 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 기체투과방지층(150)의 두께가 0.1 ㎛ 미만인 경우 수소기체를 산화시키는 효과가 감소되고 상기 기체투과방지층(150)의 구조적 안정성이 저하될 수 있어 바람직하지 않다. 상기 기체투과방지층(150)의 두께가 10 ㎛ 초과인 경우 너무 두꺼워 전해질 내 이온의 투과를 저해할 수 있어 바람직하지 않다.
이하에서는 제조예를 통해 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명한다. 단, 본 발명이 제조예에 한정되는 것은 아니다.
<제조예 1>
NiFeOx 양극 촉매, Ni pastes, PFSA(perfluorosulfonic acid) 고분자 바인더, Ni(OH)2 및 NiSe을 혼합하여 슬러리를 형성하였다. 환원극 소재로는 0.2 mm 두께의 스테인레스 스틸을 선택하였다. 상기 슬러리를 스테인레스 스틸 환원극 상에 스크린프린팅 법을 통해 도포하여 기체투과방지층을 형성하였다. 기체투과방지층이 형성된 환원극을 사용하여 알칼라인 수전해 셀의 산화극 수소농도를 측정한 결과, 기체투과방지층을 포함하지 않는 알칼라인 수전해 셀과 비교하여 산화극 수소농도가 약 1/10로 감소한 것을 확인할 수 있었다.
<제조예 2>
ZrO2 나노입자와 polysulfone을 중량비 8.5 : 1.5로 혼합하여 슬러리를 도포하여 레이어층을 형성하였다. 상기 레이어층 상에 Ni pastes, PFSA(perfluorosulfonic acid) 고분자 바인더, Ni(OH)2 및 NiSe을 혼합하여 형성된 슬러리를 도포하여 기체투과방지층을 형성하였다. 이때, 상기 기체투과방지층의 두께는 약 3 mm가 되도록 도포하였다. 상기 기체투과방지층 상에 다시 ZrO2 나노입자 및 polysulfone가 중량비 8.5 : 1.5로 혼합된 슬러리를 도포하여 내부에 기체투과방지층이 형성된 이온교환용 다공질 격막을 제조하였다. 이와 같이 제조된 이온교환용 다공질 격막을 사용하여 알칼라인 수전해 셀의 성능을 측정한 결과 산소극 내 수소농도가 기체투과방지층을 포함하지 않은 경우와 비교하여 약 1/10로 감소한 것을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 이온 교환용 다공질 격막
120 : 전해질
130 : 환원극
140 : 산화극
150 : 기체투과방지층

Claims (9)

  1. 서로 이격하게 배치된 환원극 및 산화극;
    상기 환원극 및 상기 산화극 사이에 형성된 전해질;
    상기 전해질 내에 위치하는 이온 교환용 다공질 격막; 및
    상기 환원극의 표면 상에 형성된 기체투과방지층을 포함하고,
    상기 기체투과방지층은, 촉매 및 상기 촉매가 담지된 다공성 지지체를 포함하는 것을 특징으로 하고, 두께 0.1 내지 10 μm 인 것을 특징으로 하며, 상기 환원극에서 생성된 수소 기체를 산화시켜 상기 환원극에서 상기 산화극으로 수소 기체가 투과하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하고,
    상기 촉매는, NiSe, NiS, NiP, NiMo 및 NiMoCu로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 촉매를 포함하고, 나노 크기의 미립자 형태인 것을 특징으로 하며,
    상기 다공성 지지체는, 다공성 금속, 다공성 세라믹 및 세라믹이 코팅된 다공성 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 셀.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 환원극 및 산화극을 이격하게 배치하는 단계;
    상기 환원극 및 상기 산화극 사이에 전해질을 형성하는 단계; 및
    상기 전해질 내에 이온 교환용 다공질 격막을 위치시키는 단계를 포함하고,
    상기 환원극의 표면 상에 기체투과방지층이 형성된 것을 특징으로 하고,
    상기 기체투과방지층은, 촉매 및 상기 촉매가 담지된 다공성 지지체를 포함하여 제조되는 것을 특징으로 하고, 두께 0.1 내지 10μm로 제조되는 것을 특징으로 하며, 상기 환원극에서 생성된 수소 기체를 산화시켜 상기 환원극에서 상기 산화극으로 수소 기체가 투과하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하고,
    상기 촉매는, NiSe, NiS, NiP, NiMo 및 NiMoCu로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하고, 나노 크기의 미립자 형태인 것을 특징으로 하며,
    상기 다공성 지지체는, 다공성 금속, 다공성 세라믹 및 세라믹이 코팅된 다공성 금속으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 셀의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 환원극 표면 상에 형성된 기체투과방지층은,
    촉매 및 다공성 지지체를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계; 및
    상기 슬러리를 상기 환원극 표면에 도포하는 단계를 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 셀의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
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