KR102277912B1

KR102277912B1 - 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소 생산 장치

Info

Publication number: KR102277912B1
Application number: KR1020190040297A
Authority: KR
Inventors: 이웅무; 이정남
Original assignee: (주) 팝스
Priority date: 2019-04-05
Filing date: 2019-04-05
Publication date: 2021-07-16
Also published as: KR20200117731A

Abstract

본 발명의 목적은 고압 수소가스를 생산하는 전기화학식 장치와 방법을 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 물 전기분해를 이용한 고압 수소가스 및 산소가스 생산 및 압축 장치는 스택의 구조적 안정성을 향상시키는 방법과 다공성 고분자 분리막을 사용할 경우 발생하는 미량의 불순물을 제거하는 방법을 제공하는 것을 특징으로 한다. 구조적 안정성을 높이기 위해 스택 내부와 외부의 압력을 등가화하고 스택 외곽을 일체형 보강제로 감싸는 방식을 택하였다. 스택 내부의 두 전극에서 생산되는 수소가스와 산소가스가 분리막을 통하여 섞임에 의한 불순가스를 제거하기 위해 전기화학 촉매 칼럼을 사용하였고 두 가스의 압력을 등가로 만들기 위해 산소가스가 전체 장치에서 차지하는 부피를 조정하는 방식을 택하였다.

Description

물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소 생산 장치{Apparatus for producing high pressure hydrogen and oxygen gas by water electrolysis}

본 발명은 수소연료를 필요로 하는 장치에 수소 공급을 위한 고압 수소가스의 생산에 관한 에너지 기술에 관련된 것으로, 전기화학 방법에 의하여 수소와 산소가스의 생산, 압축 및 저장하는 장치에 관한 것이다.

수소연료전지를 동력원으로 하는 차세대 전기차량 혹은 이동수단의 실용화를 위한 선결조건중 하나는 수소충전소의 원활한 보급이다. 이 문제가 해결되면 배터리 전기차량에 비해서 주행거리, 충전시간 그리고 폐전지 처리 등의 문제에서 큰 우위를 갖고 있는 연료전지 전기차량의 보급은 확대될 것이다.

수소충전소의 원활한 보급을 막는 가장 큰 장애 요소는 충전소의 큰 규모, 높은 건설 및 유지비용이다. 충전소의 건설은 수소가스의 공급원 확보와 압축문제로 요약된다. 충전소로의 수소공급은 크게 세 가지 방법에 의존한다. 첫째 방법은 납사의 분해 등 정유공장에서 부산물로 혹은 제철공장에서 부산물로 얻어지는 부생수소의 이용이다. 가격이 매우 저렴하다는 장점은 있으나 이 수소에 함유돼 있는 불순물의 제거와 고순도 정화, 충전소로의 운송, 그리고 저장시설 확보 등의 문제가 있다. 둘째 방법은 천연가스 등 화석연료의 개질(reforming)에 의한 방법이다. 개질에 의한 수소생산은 이산화탄소 가스가 동반 생산되므로 청정에너지(clean energy)원이라는 수소의 소기 목적에 배치된다. 셋째 방법은 물 전기분해에 의한 방법이다. 장치가 작고 산소가 동반 생산된다는 이점은 있으나 경제성이 전기가격에 민감하게 좌우된다.

수소의 압축에는 다이어프램(diaphragm) 혹은 이온화 액체(ionic liquid)를 사용하는 피스톤 기계식 방법이 주로 사용된다. 수소가스를 고압으로 압축하기 위해서는 다단계(multi-stage) 압축과정이 필요하며 냉각의 필요성 때문에 장치의 규모가 커진다. 이밖에도 기계식 압축방법은 높은 소음과 낮은 에너지 효율 등의 단점이 있다.

이러한 기계식 압축방법을 대체하는 방식으로 전기화학적 압축방법이 있으며 많은 연구 개발이 진행되고 있다(특허문헌 1,2,3,4,5,6 비특허문헌 1). 전기화학적 압축방식은 외부 압력에 의하여 가스를 압축하는 것이 아니라 전기화학 셀에 연속적으로 인가되는 전력에 의해 생성되는 가스로 폐공간(closed space)을 채우는 방식으로 다시 말하면 내부 압력 증가 방식이다. 전기화학 셀은 기본적으로 분리막이 삽입된 두 개의 전극으로 구성되며 이 전극사이에 전압을 인가하면 전류가 흐르고 이에 따라 전극사이로 가스가 이동하거나 전극에서 수소가 생성된다. 전극을 포함하는 공간을 닫힌계로 하고 계속 전류를 흘리면 이 외벽이 분쇄되지 않는 한 가스의 압력은 상승한다.

전기화학식 압축방법은 압축기에 공급되는 원료에 따라 두 방식으로 나눌 수 있다. 하나는 물을 사용하는 전기분해 방식이다. 물을 원료로 사용하는 이 시스템에 전력을 공급하면 한쪽 전극에서는 수소가 다른 쪽 전극에서는 산소가 생성되며 압축에 따라 고압 수소와 산소가스가 동반 생산된다. 물의 공급은 각 단위 셀에 병렬식으로 공급되므로 수소/산소 생산은 각 셀에서 동시에 일어나며 공동 유로(conduit)를 통하여 배출된다. 다른 하나의 전기화학적 방법은 수소를 원료로 사용하는 다단계 산화/환원 방식이다 (특허문헌 3). 수소를 원료로 사용하는 이 방식의 시스템 구성은 연료전지와 유사하며 어떤 출처의 수소가스라도 사용 가능하다. 이 시스템에서는 단위 셀의 한쪽 전극에서 원료인 수소 분자를 수소이온으로 산화시켜 멤브레인 분리막을 투과하게 만들고 다른 쪽 전극에서 이 이온을 다시 수소 분자로 환원시키는 산화/환원반응이 일어난다. 따라서 이 방식에서는 직렬로 연결된 각 단위 셀을 수소 가스가 지나면서 중복적인 산화/환원을 통하여 그 압력을 점진적으로 상승시킨다. 단위 셀의 전극면적과 화학적 조성 그리고 축적된 단위 셀의 수가 동일할 경우 시간당 수소 생산량이 전기분해 방식에 비하여 훨씬 낮다.

본 발명에서 소개하는 물 전기분해에 의한 전기화학적 수소 생산 압축방법의 가장 큰 기술적 문제점은 두 가지로 요약된다. 하나는 장치의 핵심요소인 스택의 기계 및 구조적 강도이며 다른 하나는 생산되는 수소의 순도이다. 고압에서 전극의 더미인 스택의 구조적 안정성은 단위 셀 두 전극 간에 삽입하는 분리막과 단위 셀 다른 구성요소의 기계적 강도 그리고 스택의 결속 접합면 등에 걸리는 국부적인 응력(stress) 등에 민감하게 의존된다. 스택을 조립할 때 내부에서 생성되는 가스의 압력을 견뎌 내도록 외벽을 "환상(ring)"구조의 소재를 사용하고 전극과 양극성 배전판 사이에 "짠 직조 판(woven sheet)"과 같은 신축성 소재를 삽입하기도 하여 (특허문헌 5) 혹은 멤브레인의 기계적 강도가 보강된 복합막을 사용하기도 한다 (특허문헌 6). 그러나 내부 가스의 압력이 300 기압 이상으로 상승할 경우 스택 구성요소의 보강만으로는 한계에 부딪친다. 수소충전소가 보편화되기 위해서는 저장용기의 수소가스 압력이 700 기압 이상으로 유지되어야 하며 높은 압력에 견디는 압축장치 내부 구조의 설계가 필수적이다.

상기한 조건을 만족시키기 위해서는 아주 새로운 방법과 소재의 선택이 요구된다. 특허문헌 1에서는 물 전기분해에 의해 수소와 산소를 동시 생산하고 산소의 일부는 수소의 압축을 돕는 보조제 역할을 하는 방법을 제시하였다. 이 방법은 고압 수소 생산압축장치의 크기를 현저히 줄이고 저가의 소재를 사용하여 장치의 가격을 낮추는 가능성은 제시하였다. 이 방법의 핵심은 물 전기분해 스택을 하우징(housing or container) 내부에 배치하고 하우징의 내부 공간을 스택에서 생산되는 고압의 산소가스로 채운다. 따라서 스택 안팎을 등압(equal pressure)으로의 유지가 가능하며 스택의 구조적 안정성을 높일 수 있다. 스택 안팎을 등압(equal pressure)으로 하는 방식은 물 전기분해방법의 큰 장점이 될 수 있다. 그러나 이 방법은 장치의 파손으로 인하여 고압의 수소와 산소가스의 돌발적인 섞임이 유발할 수도 있는 폭발반응에 대한 대비책은 제시하지 못 하였다.

고압 전기분해장치의 다른 하나의 기술적인 문제점으로는 가스의 순도이다. 물 전기분해에서 가스의 압력이 상승함에 따라 장치 내부를 순환하는 전해질 용액에는 헨리의 법칙 (Henry's law)에 따라 수소와 산소가스의 용해도(solubility)도 증가한다. 따라서 생산되는 가스의 순도를 높이기 위해서는 수소가스가 용해된 전해질 용액과 산소가스가 용해된 전해질 용액의 혼합을 최소화해야 한다. 고압 조건에서는 스택 내부의 물 저장소(water reservoir)로의 물의 공급, 수소/산소 가스압력의 등가화(equalizer), 전해질 용액의 순환방식이 상압 전기분해장치에서의 순환방식과는 다르게 설계되어야 한다. 이러한 문제점에 대한 기술적 분석과 구체적인 해결책은 보고된 바가 없다.

1. 이웅무, 이정남, "물 전기분해를 이용한 고압 수소가스 생산 및 저장 장치," 대한민국 특허 출원 (출원번호: 10-2018-0029929, 출원일: 2018년 3월 14일) 2. F. Barber, B. Balasubramanian an M. Stone, US Patent 6,994,929 B2 (2006). 3. T. Y. H. Wong, F. Girard, T. P. K. Vanderhoek, US Patent Application Publication 2004/0211679 A1 (2004). 4. W. F. Smith and J. F. McElroy, US Patent 5,350,496 (1994). 5. H. Vandenborre, US Patent 6,554,978 B1 (2003). 6. 윤대진, 문상봉, "수전해용 강화 복합막 및 이를 포함하는 수전해용 막전극 복합체," 대한민국 특허 10-1754122 (2017) 7. 이웅무, 김종훈, "고표면적을 갖는 니켈전극 및 이의 제조방법," 대한민국 특허 10-1377076 (2014)

1. F. Allebrod, C. Chatzichristodoulou, M. B. Mogensen, Journal of Power Sources, 229, pp. 22-31 (2013). 2. J. H. Kim, J. N. Lee, C. Y. Yoo, K. B. Lee and W. M. Lee, International Journal of Hydrogen Energy, 40, pp. 10720-10725 (2015).

본 발명의 목적은 수소충전을 위한 고압 수소가스와 부산물인 산소가스를 물 전기분해 방식에 의하여 독립적으로 생산 압축하며 높은 가스 압력에도 장치의 구조적 안정을 유지하면서 높은 순도의 가스를 생산할 수 있는 고압 수소/산소가스 생산 장치를 제공함과 동시에 수소/산소가스의 돌발적인 혼합 시 발생할 수 있는 연소반응의 위험을 배제하는 안전한 장치의 제작 방법을 제공함을 목적으로 한다.

물 전기분해에 의해 고압의 수소와 산소가스를 생산하는 데 따르는 기술적인 난제는 다음과 같이 요약될 수 있다. 첫째 문제가 장치(module)의 기계적 구조적 안정성이다. 가스 압력이 300기압 이상으로 상승할 때는 장치 구성요소 취약부의 응력 관리와 분리막의 안정성 유지가 중요해진다. 둘째 문제점으로는 수소와 산소가스의 압력이 증가함에 따라 그들을 분리하는 분리벽의 파손으로 인하여 두 가스의 돌발적인 혼합에 따른 폭발반응에 따른 안정성 문제이다. 셋째 문제점은 압력이 증가함에 따라 전해질 액체(전해액)에 용해되는 가스의 용해도가 헨리의 법칙에 따라 증가하는 것이다. 따라서 높은 가스 압력에서 생산 압축되는 각 가스의 순도를 높이기 위해서는 수소전극을 접촉하며 흐르는 수소가스가 용해된 전해액 혼합물과 산소전극을 접촉하며 흐르는 산소가스가 용해된 전해액 혼합물과의 섞임을 최소화해야 한다.

먼저 기계적 안정성을 도모하기 위해서는 장치 구성요소 안팎의 압력 등가화(pressure equalization)를 취할 수 있다. 물 전기분해방법의 큰 장점중의 하나는 수소와 산소가 동반 생산되므로 이들 가스가 압력 평형을 이룬다면 스택을 고압 산소로 채워진 하우징 내부에 배치하여 스택 안팎에 걸리는 압력의 등가화를 달성할 수 있다. 스택외부를 내부와 등압으로 하고 스택 내부의 산소 수소가스를 등압으로 하면 국부적인 응력을 효과적으로 상쇄할 수 있고 분리막의 파손 등을 효과적으로 방지할 수 있다.

단위 셀을 적층시켜 제작되는 스택은 물 전기분해 장치의 가장 중요한 구성요소이며 원형 전극을 사용하는 경우 원통 형태를 갖게 된다. 스택의 적층된 단위 셀의 상단과 하단에는 상부 덮개와 하부 덮개를 부착하여 볼트와 너트로 고정시키며 이 힘에 의하여 스택 전체가 결속된다. 물 전기분해에 의해 생산되는 고압의 수소와 산소가스가 스택의 내부 구조에 인가하는 기계적 힘은 그 방향에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 하나의 힘은 스택의 단위구조인 단위 셀 표면에 수직으로 (수직방향의 힘이라 칭하자. Vertical force), 다른 하나의 힘은 표면에 평행으로 (수평방향의 힘이라 칭하자. Lateral force) 걸린다. 이들 힘은 스택의 상판과 하판 그리고 내부 구조에도 수직으로 혹은 평행하게 걸린다. 상기한 볼트와 너트의 접합면에 걸리는 국부적인 응력과 분리막 상하에 인가되는 힘은 수직방향의 힘의 대표적인 예이다. 상판/하판의 표면에 수직으로 형성된 유로의 내벽에 걸리는 방사성 힘은 수평방향의 힘의 좋은 예이다.

수평방향의 힘에 영향을 받는 스택의 구조적 안정성은 다음의 예로 설명된다. 단위 셀의 더미로 구성된 스택에서 고압가스와 전해액이 흐르는 유로(conduit)는 스택의 상판/하판의 표면과는 수직 방향이며 그 내벽 측면으로는 방사성 힘(lateral radial force)이 작동한다. 단위 셀을 적층할 때 단위 셀 위아래 경계를 만드는 양극성(bipolar) 배전판 사이에는 개스킷 골격이 배치된다.

단위 셀을 구성할 때 일반적으로 두 개의 원판형 개스킷 골격(gasket frame)을 사용한다. (그러나 개스킷 골격의 구조를 변형시켜 하나의 골격으로도 그 역할을 수행할 수 있다.) 이 두 개의 골격 중 하나의 골격은 상부 배전판 아랫면에 접촉하여 단위 셀에 배치되고 다른 하나의 골격은 하부 배전판의 윗면에 접촉하는 식으로 배치된다. 그리고 두 골격의 접촉면에는 분리막이 배치된다. 개스킷 골격의 내부에는 원판형 전극과 다공성 금속층이 각각 분리막과 배전판과 접촉하여 배치된다. 단위셀을 적층하여 스택을 만들 때 배전판과 개스킷 골격의 접촉면 그리고 개스킷 골격과 분리막의 접촉면에는 오-링("O"-ring), 개스킷, 돌출부 혹은 에폭시 접착제를 사용하여 밀봉(sealing)을 돕는다.

단위 셀에서 개스킷 골격은 위에서 기술된 바와 같이 전극 같은 구성요소를 내장(containment)하고 단위 셀로부터 가스나 액체의 누출을 막는 밀폐(sealing)용 오-링이나 개스킷 등을 지지하는 역할 이외에도 유로 제공이라는 매우 중요한 역할을 수행한다. 다시 말하여 스택 외부로부터 그 구성 요소인 각 단위 셀로 유입되는 전해질 용액의 유로(conduit)를 제공하고, 단위 셀 전극에서 생성된 가스와 전해질 용액의 혼합물을 스택외부로 방출하는 유로를 제공하는 결정적인 역할을 수행한다. 이러한 유로는 스택 외측에서는 골격의 평판에 수직한 방향으로 형성되고, 단위 셀의 다공성 금속층을 통과할 경우에는 수평방향이 된다. 그러나 단위 셀을 적층하여 스택을 조립할 때 상기한 유로를 두께 1-2 mm 이하의 얇은 복수의 원판형 개스킷 골격을 수직 방향으로 스택의 중심축에 평행하게 꿰뚫는 방식에 의하여 만들게 되면 이러한 구조에서는 적층된 수직성 유로의 내벽에 걸리는 방사성 힘이 상승할 때 개스킷 골격이 파괴(breakage)될 가능성이 높아진다.

따라서 본 발명에서는 스택의 구조적 안정성을 높이기 위해 고분자 소재의 일체형 본체(unitary body)를 스택의 보강체(reinforcement body)로 사용하고 이 보강체 내부에 형성된 중공부에 스택을 밀착 배치함과 동시에 스택과 교신하는 유로를 형성시키는 방식을 택하였다. 보강체에 형성된 수직성 유로(수소가스용과 산소가스형 각각 한 쌍의 유로로 분류된다.)의 방향은 그 중심축을 따라서 내부 스택의 충심축에 평행하며, 그 유로 내벽에 인가되는 방사성 힘을 견딜 수 있는 기계적 강도가 적층된 복수 개스킷 골격의 유로 내벽에 비하여 훨씬 증가하도록 하였다. 이러한 구성에서는 단위 셀의 개스킷 골격은 수평성 유로만을 제공하고 원래 가졌던 수직성 유로는 폐쇄되는 형식으로 수정된다.

이와 같이 두 요소를 결합시키는 복합 구조에서는 보강체의 수직성 유로와 단위셀 수평성 유로와의 소통을 위한 연결이 중요 문제로 등장한다. 이 문제를 해결하기 위해서 단위 셀 구성요소인 개스킷 골격의 측면(side)에 복수의 돌출부를 만들어 스택과 보강체와의 결합(engaging)과 소통(communication)을 돕게 한다. 개스킷 골격은 종전의 수직성 유로는 없애고 각 단위 셀과 보강체의 유로를 이어주는 다리(bridge)를 포함 하도록 변형하고 이 돌출부가 바로 다리 역할을 할 수 있다. 스택을 보강체 내부의 중공부로 밀어 넣을 때 이 돌출부는 보강체 중공부 내면 벽에 연결로의 기능을 갖도록 형성된 수직방향의 계곡(valley)에 삽입되며 밀착 안주하여 보강체와 스택의 결합을 돕는다. 계곡형 공간은 보강체 내부 복수의 유로(conduit)와 중공부를 수평방향으로 소통시키는 역할을 한다. 복수의 돌출부 중 서로 마주 보는 한 쌍의 돌출부 내부에는 수평성 유로를 만들어 보강체의 유로와 단위 셀의 다공성 금속층 사이로 유체의 흐름(communication)을 가능하게 한다. 마주보게 형성된 이 수평성 유로는 이웃하는 골격에서는 90도 회전시켜 단위 셀의 수소전극과 산소전극에서 각각 생성된 수소가스와 산소가스가 독립된 유로를 통하여 교차적으로 보강체의 수소유로 또는 산소유로로 흐르게 함이 가능해진다. 물론 이웃하는 개스킷 골격이 중심축에 대해 90도 회전된 형태로 제작하는 것이 제작의 편의나 장치의 안정성을 위해 바람직하지만, 이 각도가 90도가 아닌 경우도 본 발명의 범위에 포함된다.

특허문헌 1에 의하면 전기분해에 의한 수소/산소생산 압축 및 저장을 수행하기 위해서 전기분해부는 산소로 채워진 하우징 내부에 배치하고 생산되는 수소가스와 산소가스는 하우징 외부에 배치된 가스 저장부의 저장용기에 저장되며 생산되는 산소가스의 일부는 하우징 내부의 빈 공간을 채운다. 이 방법의 핵심은 장치 내부 수소가스와 산소가스 압력이 평형을 이루며 동시에 하우징 내부 산소가스 압력과도 평형을 이루도록 하는 것이다. 물 전기분해로부터 수소 산소가스가 정량적인 부피비로 생산되므로 이들 가스가 차지하는 용기 내 부피의 조정으로 가스 압력의 등가화는 용이하게 달성할 수 있다.

그러나 이 방법에서는 돌발적인 누출로 인해 스택 내부의 수소와 산소가스가 혼합되거나 전기분해부 내부의 수소가스가 하우징 내부 빈공간의 산소가스와 혼합될 경우 연소반응이 발생할 가능성이 존재한다. 본 발명에서는 수소와 산소가스의 연소반응을 억제하기 위해서 하우징 내부의 대부분 공간을 물과 같은 불연성 액체로 채우고 이 액체 면과 접촉하며 하우징의 위쪽 공간을 고압 산소가스로 채우는 방법을 제시한다. 따라서 스택과 기수분리기 등 주변 구성요소는 (peripheral components) 하우징 내에서 물과 같은 액체에 잠기게 된다. 비압축성 액체를 통하여 산소가스의 압력은 스택 외벽에 그대로 전달되며 스택 안쪽과 바깥쪽에 인가되는 압력을 등가로 할 수 있다.

스택 내부에서 구성요소의 파열 등의 이유로 수소/산소가스의 혼합이 일어날 경우의 여파는 두 가지로 나누어 생각할 수 있다. 첫째 경우는 소량의 누출이 일어날 경우이다. 이 때는 제어기에 의하여 전원이 차단되므로 더 이상의 가스 생산은 중단되며 따라서 혼합정도가 낮아 수소/산소 가스의 연소반응으로는 발전하지 못한다. 둘째 경우는 스택 내부 가스 압력의 상승으로 인해 순간적으로 스택 구조에 파열이 생기고 스택 내부의 수소/산소가스가 다량 혼합되거나 스택 밖으로 유출되는 경우이다. 이 때는 제어기가 작동하기 전에 이미 대량의 가스가 스택 외부로 유출되며 수소/산소가스의 연소반응으로 발전할 수 있는 혼합비를 만들 가능성이 존재한다. 따라서 전기분해 장치의 화학적 안정성은 둘째 경우에 대한 대비책에 밀접하게 의존된다. 스택과 기수분리기가 물속에 배치되는 경우 스택으로부터 누출된 수소/산소 혼합가스는 용기 내부 물 상층부에 있는 산소와 혼합되기 전 이미 물과 섞이며 이 상태에서 수소/산소가스의 연소반응은 일어나기 어려우며 일어난다 하여도 폭발반응으로 발전하지 못한다.

다음으로는 가스 순도에 관한 문제의 해결이다. 물 전기분해 장치 내부의 수소와 산소가스 압력이 상승하면 전해질 용액에의 수소와 산소가스의 용해도(solubility) 역시 증가한다. 예를 들어 수소와 산소가스의 압력이 500 기압이라 하면 1 리터의 물에 수소와 산소가스가 각각 0.78g과 20g이 용해된다. 따라서 고압 전기분해에서는 전해액/수소가스 혼합물과 전해액/산소가스 혼합물의 섞임을 최소화해야 하며 이온 교환수지 분리막(ion exchange membrane)의 사용이 바람직하다. 만약 분리막으로 다공성 막을 사용할 경우에는 이동으로 인해 발생한 불순 가스를 제거하는 방법이 강구돼야 한다.

물 전기분해 장치는 분리막의 사용에 따라 혹은 전해질의 산도(acidity)에 따라 음이온 교환수지 분리막 시스템과 양이온 교환수지 분리막 시스템으로 양분할 수 있다. 본 발명의 원리를 설명하는 데는 어느 시스템이고 상관없지만 알칼리 용액 전기분해를 실시예로 선택하였다. 알칼리 용액 전기분해에서는 수소와 산소가스가 각각 다음의 반응에 의하여 생성된다.

수소전극에서는 4 H₂O + 4 e^- → 2 H₂ + 4 OH^- (1)

산소전극에서는 4 OH^-→ 2 H₂O + O₂ + 4 e^- (2)

전체 반응은 2 H₂O → 2 H₂ + O₂ (3)

전기분해가 진행되면서 수소전극에서는 물이 소모되고 그 소모된 양의 절반은 산소전극에서 재생된다. 수소전극에서 생성된 수산화 이온(OH^-)은 음이온 교환수지 분리막(anion exchange membrane)과 같은 분리막을 통하여 산소전극으로 확산된다.

알칼리 분해에서 음이온 교환수지막 대신 다공성 막을 분리막으로 사용할 경우는 막을 통한 수소나 산소가스 이동(transfer)의 완전한 차단은 불가능 하다. 따라서 어느 정도의 이동은 감수하고 이동된 수소나 산소가스를 제거하는 방법이 모색 되어야 한다. 본 발명에서는 전기화학 촉매칼럼을 통한 제거 방법을 택하였다. 이 방법은 전기화학적 부식현상(corrosion)의 원리와 유사하다. 분리막을 경계로 하는 수소전극과 산소전극측 공간에서 수소전극 측 공간을 예로 들어 설명하겠다. 분리막을 통해 이동해온 미량의 산소가 섞인 수소가스가 용해된 전해액 혼합물은 스택을 떠나 기수분리기로 흐를 때 촉매칼럼을 통과하게 만든다. 촉매칼럼은 백금계열이나 은 등이 코팅된 고 표면적 니켈전극 등을 사용할 수 있다. 칼럼 전극 표면에서 미량의 산소와 다량의 수소는 각각

2 H₂ + 4 OH^-→ 4 H₂O + 4 e^- (4)

2 H₂O + O₂ + 4 e^-→ 4 OH^- (5)

반응에 의하여 전체적으로 물을 생성하며 산소는 제거된다.

전체 반응은 2 H₂ + O₂ → 2 H₂O (6)

위의 반응은 수소/산소 연료전지 반응과 동일하며 두 반응이 동일 표면에서 일어나므로 기전력은 발생하지 않으며 일종의 부식성 반응으로 간주될 수 있다. 미량의 수소가 이동해온 산소전극 공간에서도 동일한 반응에 의하여 수소가 제거된다. 수소가스가 용해된 전해액이나 산소가스가 용해된 전해액에 녹아들어간 미량의 산소나 수소는 거의 분자상태로 존재하기 때문에 (4)과 (5) 반응에 의해 쉽게 제거가 가능하다.

물 전기분해장치에서 고려해야할 다른 사항으로는 물의 공급, 기수분리기 수위조정 그리고 전해액의 순환에 관한 문제이다. 물 전기분해에서는 각각의 기수분리기에서 수소가스와 산소가스가 그들의 전해액으로부터 분리된 후 각각의 경로를 통하여 정화 건조 등의 과정을 거친 뒤 저장용기로 주입되거나 일단 저장 후에 정화 와 건조 과정을 밟을 수도 있다. 가스가 분리된 두 전해액은 고압 물 분해에서는 반드시 독립경로를 통하여 스택으로 재공급된다. 전해액을 기수분리기와 스택 사이로 순환시키는 이유는 스택 내부 온도의 균일화를 도우며 전극에서 생성되는 가스방울이 신속하게 제거되어 전기저항을 줄이는 것 등이 있다.

물 전기분해에서 수소 산소 기수분리기의 전해액 수위는 두 가스의 압력차에 의존한다. 가스의 압력은 해당 가스에게 허용된 부피와 시간당 생산량에 의하여 정해진다. 또한 기수분리기의 수위는 (1)과 (2) 반응에 의해 생산 소모되는 물의 양에 의존한다. 따라서 초기의 수위를 유지하기 위해서 수소 전극으로는 물의 공급 그리고 산소 전극에서는 물의 배수가 적절하게 이루어져야 한다. 그러나 산소 기수분리기의 전해액에는 고압 조건에서는 다량의 산소가 용해되어 있으므로 그 배수에는 주의가 필요하다. 배수의 한 방법은 산소 기수분리기의 수위가 상한선을 초과할 때 그 초과분을 배출로를 통하여 수소 기수분리기로 순환하는 수소가스가 용해된 전해액의 혼합물에 합류시키는 것이다. 합쳐진 혼합물은 전기화학 촉매칼럼을 통과하며 용해된 산소를 물로 변환시키고 수소 기수분리기로 진입한다. 다른 방법은 초과분을 전기분해부 외부로 방출 폐기하는 것이다. 이 경우는 수소 기수분리기로 공급되는 물의 양을 두 배 늘려야 한다.

수소와 산소가 전기분해 정량비인 2:1로 생산된다면 두 가스의 압력을 등가로 하기 위해서는 그들 가스가 스택에서 차지하는 부피의 비도 2;1이 되어야 한다. 그러나 스택 내부에서 정확한 부피비를 유지하는 것은 쉽지 않다. 따라서 스택 내부에 수소가스 영역과 산소가스 영역에 물을 더하거나 배수하며 부피 조절을 할 수 있다. 스택을 담고 있고 물과 고압 산소가스로 채워져 있는 하우징은 내부의 액체를 필요시 배수하여 체적 조정장치(volume adjuster)로서의 역할을 할 수 있다.

고압 전기분해장치에서 물의 공급과 배수, 전해질 액체의 순환 등은 상압 전기분해 장치에서처럼 단순하지 않다. 수백기압 유체의 압력이 존재하는 환경에서 전기적인 힘으로는 피스톤 같은 기계적 수단을 움직여 유체를 순환하는데 한계에 부딪친다. 고압 전기분해장치에서는 전력인가와 함께 수소/산소 가스의 압력이 시간의 함수로 계속 증가하는 것을 유체 이동의 원동력으로 이용할 수 있다. 개폐식 밸브의 작동으로 유체 이동 구획 간에 압력 차이를 유도할 수 있으며 피스톤 같은 수단의 앞뒤에 약간의 압력 차이를 부여하면 전해액을 쉽게 이동시킬 수 있다.

고압 수소생산/압축을 위한 스택 안팎 압력평형 방법의 경제성은 그 내부에 스택이 배치되고 물/고압 산소가스로 채워지는 하우징 구조의 단순성에 달려있다. 장치의 스택 같은 구성요소는 일정시간이 지나면 정기적인 분해를 통한 재생 작업이 필요하므로 하우징은 고압에 안정해야 함은 물론 단순하게 개폐가 가능해야 한다.

하우징의 구조는 개폐가 가능한 두 개의 구성요소로, 예를 들어 상반부와 하반부, 구성함이 바람직하며 두 요소를 결속할 때 사용되는 볼트와 너트의 접합면에 높은 국부적인 응력이 작동하지 않아야 한다. 예를 들어 하반부의 밑면과 경계하는 너트는 밑면에 의해 하향성 힘을 그리고 볼트를 통해 상향성 힘을 받기 때문에 볼트와 너트의 접합 홈(groove)에 걸리는 국부적 응력은 매우 크다. 볼트와 너트를 만드는 소재는 하우징 내부 기체와 액체의 압력이 증가할수록 높은 응력을 이겨내는데 한계에 도달한다. 만약 하우징의 상반부를 위로 올리려는 힘과 하반부를 내리려는 힘이 그들의 접합면에서 서로를 밀어내도록 구조를 변형한다면 국부성 응력을 완화시키고 하우징은 내부의 높은 압력에서도 기계적 안정성을 유지할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치의 가장 큰 특징은 가스의 생산과 압축이 전기화학적 방법에 의해서 동시에 달성된다는 것이다. 생산은 물의 전기분해로 그리고 압축은 기계식 압축이 아닌 전기화학적 압축으로 달성된다. 따라서 이 방법은 전체장치의 크기가 부생수소나 화석연료의 개질에 의해 생산된 수소를 사용하는 기존 방식에 비해서 현저하게 줄어든다. 또한 물 전기분해로부터 생산되는 수소가스와 산소가스의 압력평형을 통하여 가스 분리막의 기계적 안정도를 높일 수 있고 스택 안팎의 압력평형을 통하여 스택에 걸리는 국부적 스트레스를 줄일 수 있는 큰 장점을 갖는다. 또한 저가의 신축성 있는 전극과 가스 탈출층 그리고 저가의 다공성 분리막을 사용하여 장치의 가격을 매우 낮게 할 수 있는 장점이 있다. 크기와 가격을 절감한 가장 큰 효과는 수소충전소 보급의 실용화를 앞당길 수 있다는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 수소생산 압축 저장장치의 전체적인 구성을 개략적으로 보여주는 도면.
도 2는 물 전기분해장치의 스택과 보조장치를 내부에 담고 있는 하우징의 구조도.
도 3a는 스택을 외각으로 감싸는 튜브형 보강체를 위에서 보는 평면도(planar view).
도 3b는 보강체의 사시도.
도 3c는 단위셀 구성요소인 개스킷 골격의 사시도.
도 3d는 도 3a의 보강체의 내부 공간에 도 3c의 개스킷 골격이 삽입된 상태를 보여주는 평면도로 수소가스 유로는 열려있음.
도 3e는 도 3a의 보강체의 내부 공간에 도 3c의 개스킷 골격이 삽입된 상태를 보여주는 평면도로 산소가스 유로는 열려있음.
도 4는 보강체에 형성된 수소가스가 용해된 전해액 유로와 스택 단위 셀과의 연결을 보여주는 스택의 단면도(cross-sectional view).
도 5는 수소와 산소 기수분리기로의 전해액 공급 및 분리기로부터 가스 배출로를 종합적으로 보여주는 도면.
도 6a는 전해액을 기수분리기로부터 스택으로 공급하는 비펌프식 순환장치(pumpless circulator)의 설명도.
도 6b는 비펌프식 순환장치(pumpless circulator)의 유체 순환경로의 각 지점에서 측정되는 가스 압력의 시간에 따른 변화를 보여주는 그래프.

이하에서 본 발명을 설명하면서 수직이나 수평, 평형과 같은 용어를 사용하고 있으나, 이는 수학적으로 완전한 수직이나 수평, 평형인 경우만으로 본 발명의 내용을 제한하기 위해 사용한 것은 아니다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 물 전기분해로 수소가스와 산소가스를 동반 생산하고 동시에 압축하는 방법을 보여준다. 수소와 산소가스의 압력이 상승하면 고압 물 전기분해 장치(앞으로"장치"라 칭함)를 결속하는 부품이나 내부 부품에 국부적인 스트레스가 걸린다. 스트레스를 줄이기 위해 압력 평형이 중요하며 다음의 방법을 사용한다.

압력평형은 두 가지 의미를 가지고 있다. 첫째는 장치의 주요 구성요소인 스택 내부 단위 셀의 두 전극을 분리하는 고분자 분리막의 양쪽에 인가되는 수소가스 압력과 산소가스 압력의 평형을 뜻한다. 둘째는 스택내부의 가스압력과 스택외부의 가스압력이 동일 값을 갖게 하는 것이다. 첫째 의미의 평형을 유지하기 위해서는 수소저장 용기와 산소저장 용기의 압력 측정(monitoring)에 따른 두 용기의 부피조정에 의해 가능하다. 둘째 의미의 평형을 유지하기 위해서는 스택을 닫힌계인 하우징 내부에 배치하고 생산되는 산소가스를 물로 대부분 차있는 하우징 내부로 유입시키는 것이다. 이 때 산소가 유입되면서 배수에 의해 산소가스가 차지하는 공간의 조정이 가능해진다.

전기분해에 의해 생산된 수소가스는 장치에 물을 공급하는 물 저장 용기에 포집할 수 있다. 이러한 포집의 장점은 물 전기분해에 의해 물이 소모되면서 생기는 빈 공간을 수소가스가 자연스럽게 차지하는 것이다. 따라서 수소와 산소가스의 저장용기는 별도로 마련하지 않아도 무방하다.

하우징 내부의 대부분 공간은 물과 같은 비 가연성 액체로 채우고 전체 부피의 10% 정도만 산소가스로 채운다. 하우징 내부에 배치된 스택과 다른 구성요소에서 고압가스로 인한 파열이 일어나는 경우라도 수소/산소 가스는 일단 물과 섞이기 때문에 폭발의 위험성은 배제된다. 그리고 하우징 내부의 물은 수소가스와 산소가스의 압력을 등가화 하는데 중요한 역할을 한다. 물 전기분해로부터 생산되는 두 가스의 부피 비는 정량비를 유지하므로 그 들 가스의 압력은 각 가스가 차지하는 부피에 의해서 결정된다. 따라서 하우징 내부의 물을 일부 방출 하던가 외부 물 저장원으로부터 공급 받아 하우징 내부 산소가스의 부피 조정이 가능하다. 수소가스와 산소가스의 압력이 등가화 되면 자연히 스택내부와 외부의 압력도 등가화 된다.

물 전기분해 시 수소나 산소가스의 압력이 상승할 때는 전해액에 용해되는 이들 가스의 농도 역시 증가한다. 따라서 알칼리 물 전기분해에서는 수소 전극과 산소전극은 음이온 교환수지 분리막으로 차단하여 수소가스가 용해된 전해액과 산소가스가 용해된 전해액의 섞임을 최소화해야 한다. 다공성 분리막을 사용할 경우에는 이동된 수소나 산소가스를 제거해야 한다. 스택에서 방출된 수소가스가 용해된 전해액과 산소가스가 용해된 전해액은 각각 수소용 기수분리기 및 산소용 기수분리기에서 수소와 산소가스가 분리된 후 남은 전해액은 독립된 유로를 통하여 스택으로 재 유입된다. 분리된 산소가스는 하우징 내부의 빈 공간을 채운다.

알칼리 물 전기분해에서는 수소전극에서 물이 소모되고 산소전극에서는 물이 재생된다. 물 공급부의 물은 용기의 밑면에 연결된 밸브를 통하여 수소용 기수분리기로 공급된다. 또한 물 공급부의 상층 빈 공간은 고압의 수소가스로 채워진다. 물의 공급 속도는 전원에서 공급되는 전류 값에 의해서 결정되며 세부 조정은 밸브의 유통 단면적(flow cross section)에 의해 결정된다. 수소용 기수분리기의 수위는 다음의 인자에 복합적으로 의존된다. 그 수위는 물 저장원으로부터 물의 공급과 산소 기수분리기 수위의 상승분에 해당되는 전해액의 유입에 의해 결정된다. 상기한 유입량은 전류와 전기화학 반응에 의해 결정된다. 기수분리기 수위를 결정하는 다른 인자는 가스 압력이다. 수위의 초기 값은 수소 산소가스 압력의 등가화에 의해 유지 가능하다. 두 가스의 생성 속도가 일정하다면 이들 가스가 장치 내에서 차지하는 부피의 조정에 의해 수위 유지가 가능해진다.

상기한 원리에 근거한 고압 수소 생산 압축장치의 개략도를 도 1에 설명하였다. 이하 그림 설명에서는 OH^-이온이 음이온 분리막을 통해 이동하는 알칼리 전기분해장치를 예로 들었지만 귀금속 전극과 나피온을 사용하는 물 전기분해에도 동일한 원리가 적용된다. 도 1에서 보여주는 전체장치(10)는 수소/산소 생산 및 압축을 수행하는 여러 구성요소를 내장하는 하우징(110)과 그 외부에 배치되어 고압 수소 저장과 물 저장의 동시 역할을 하는 용기(700)이다. 하우징(110)은 고압 산소의 저장용기로도 사용된다. 하우징 내부에는 핵심요소인 스택(200)과 스택에서 생산된 수소가스와 산소가스가 전해액으로부터 분리되는 수소용 기수분리기(300)와 산소용 기수분리기(400)가 배치된다.

하우징(110) 내부는 물(150)로 채우며 하부 밸브(153)를 통한 배수에 의해 생기는 빈 공간을 전기분해로 생성되는 산소가스(152)가 채운다. 다시 말해서 외부와 내부 공간을 차단하는 하우징 내부 공간에 상기 스택이 설치되고, 상기 스택에서 생산된 산소가스의 일부는 상기 하우징 내부 상부의 공간을 채워서 하부 밸브를 통해 불연성 액체를 외부로 배출하도록 하여 산소가스의 압력이 수소가스 저장용기의 수소가스 압력과 평형을 유지하면서 수소와 산소가스를 생산, 압축, 저장이 가능하게 할 수 있다. 즉, 하부 밸브(153)가 배수 조절부로서 산소가스가 차지하는 부피를 조절하여 산소가스의 압력을 조절할 수 있다. 기수분리기에서 전해액(320, 420)으로부터 분리된 수소가스(310)와 산소가스(410)는 각각의 배출로(303, 403)를 통해 수소저장장치(700)로 유입되어 저장되거나(308) 하우징 내부(152)와 산소저장장치(800)로 동시에 유입되어 저장된다. 전기분해에 사용되는 물은 저장원(620)으로부터 밸브(121)와 유입로(122)를 통해 수소 기수분리기(300)로 공급된다. 분리기에서 가스가 배출된 후에 수소 전해액(320)과 산소 전해액(420)은 각각의 순환로(302, 402)를 통해 스택(200)으로 유입된다. 스택에서 생성된 수소/산소가스와 그들 전해액과의 혼합물은 각각의 유로(301, 401)를 통해 각각의 기수분리기로 진입한다. 이 때 분리기로 유입되기 전에 수소가스가 용해된 전해액의 혼합물과 산소가스가 용해된 전해액의 혼합물은 각각의 전기화학 칼럼(201)을 통과한다.

전기화학 칼럼(201)의 내부는 백금계통 귀금속(Pt, Pd, Ru, Ir), 철(Fe), 코발트(Co), 은(Ag) 등이 코팅된 고 표면적 촉매로 채운다. 촉매로는 소결된 고 표면적 니켈 전극, 티타늄 전극 혹은 탄소 전극 등을 사용할 수 있다. 스택 내부의 분리막을 통해 이동해온 미량의 산소나 수소가 섞인 수소가스가 용해된 전해액 혼합물 혹은 산소가스가 용해된 전해액 혼합물은 스택을 떠나 각각의 기수분리기로 흐를 때 촉매칼럼을 통과한다. 전해액에 용해된 미량의 수소나 산소는 이 촉매칼럼을 지나면서 전기화학 반응에 의하여 물로 변환 된다.

도 2에는 하우징의 구조의 일 실시예를 보여주는 단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 도 2에서는 하우징 내부에 위치하는 여러 구성 요소 중 스택과 다른 구성요소(202)로 간략화하여 도시하고 있다. 다른 구성요소로는 도 1을 참조하여 설명한 것과 같이 기수분리기나 전화화학칼럼 등이 있을 수 있다.

내부의 빈 공간이 물/고압 산소가스로 채워지는 하우징은 개폐가 가능한 상부 하우징과 하부 하우징의 두 개 요소를 포함한다. 내부 압력이 증가할 때 이 두 요소는 분리되는 방향의 힘 보다는 오히려 결속력이 강해지는 방향으로 힘이 작용하는 구조로 만들어졌다.

즉, 상부 하우징의 하측에는 방사상(radial direction)으로 연장된 환상형 플랜지(112)가 형성되어 있고, 하부 하우징의 상측에는 방사상으로 연장된 "ㄷ"형태의 단면을 가지는 ㄷ자형 환상형 접합부(114)가 형성되어 있다. ㄷ자형 환상형 접합부(114)를 형성하기 위해 하부 하우징의 상부에 "L"자형 플랜지를 형성하고 "L"자형 플랜지의 상부에 환상형 가압부를 볼트(116)와 너트(118)를 사용하여 고정하는 방식이 사용될 수 있다.

이와 같이 형성하는 경우에는 하우징 내부의 압력이 증가할 때 상부 하우징과 하부 하우징이 서로 멀어지는 방향으로 힘이 작용하게 되는데, 이러한 힘은 상부 하우징의 플랜지 상면과 환상형 가압부의 하부 사이의 접합이 강화되는 방향으로 작용하게 된다. 즉, 하우징 내부의 고압 산소가스(152)의 압력을 접합면의 기밀성을 강화하는데 이용하여 하우징의 구조적 안정도를 높일 수 있다. 여기서, ㄴ자형 플랜지와 환상형 가압부 사이, 환상형 가압부와 환상형 플랜지 사이에 각각 밀폐를 위한 개스킷 등의 부재가 사용될 수 있는데, 그 개수, 사이즈, 간격은 필요에 의해 조절될 수 있다.
이상의 내용을 구성요소 중심으로 다시 설명하면 다음과 같다. 단위 셀들이 적층되어 형성되는 스택을 수용하는 상기 하우징은 하부 하우징과 상부 하우징을 포함하고, 상기 상부 하우징에는 일측만 개방된 중공부가 형성되어 있고, 그 개방된 부분의 둘레를 따라 외측으로 연장된 플랜지가 형성되어 있으며, 상기 하부 하우징에는 일측만 개방된 중공부가 형성되어 있고, 그 개방된 부분의 둘레를 따라 외측으로 연장된 것으로 상기 상부 하우징의 플랜지를 수용하는 'L'자형 플랜지가 형성되어 있으며, 상기 플랜지를 상기 'L'자형 플랜지를 향하여 누르면서 고정되는 가압부를 더 구비하고, 상기 'L'자형 플랜지와 상기 가압부를 볼트로 체결함으로써 하우징 내부의 중공부에서의 압력이 증가하는 경우 상기 가압부와 상기 플랜지 사이의 기밀성이 강화된다.

스택으로의 전력은 하우징 외부의 직류전원(205)으로부터 공급된다.

하우징 내부에 위치하는 수소용기수분리기(300)에서 유출되는 수소가스(310)는 고압 수소 및 물 저장용기(700)에 저장되고, 고압 수소 및 물 저장용기에 저장된 수소 가스(308)를 사용할 때에는 정화칼럼(312)과 건조칼럼(314)을 통과하게 만든다. 하우징 내부의 산소가스(152) 혹은 하우징 외부의 산소저장소(800)의 산소 역시 사용 시에는 정화칼럼(412)과 건조칼럼(414)을 통과하게 만든다. 산소저장소(800)는 초기 산소공간을 책정할 때 도움을 주는 역할만 하며 장치에서 제외하여도 무방하다.

고압가스로 채워진 하우징 내부에 놓인 원통형 스택의 상하 표면을 누르는 수직방향의 힘은 스택 내부에서 가스의 생성으로 발생하는 수직방향의 힘을 상쇄하는데 효과적이다. 그러나 스택 상하방향으로 수직으로 형성된 유로의 내벽에 걸리는 방사성 힘(lateral force, 원통형의 유로인 경우의 반경방향의 힘)은 수평방향의 힘이며 이 힘을 억제하는 것도 스택의 구조적 안정을 유지하는데 중요하다.

본 발명에서는 상기한 수평방향의 힘을 견디는 수단으로 스택을 감싸는 일체형 보강체(reinforcement unitary body)를 사용하였다. 보강체는 스택이 원통형인 경우 튜브형으로 만들어져서 스택의 외곽에 밀착하여 스택 내부에서 수평방향으로 작용하는 힘을 지지하게 된다. 보강체는 고분자 소재의 일체형(unitary)으로 그 내부 빈 공간에 스택이 밀착되도록 배치되는 형태를 취하는 것이 바람직하다. 보강체에는 보강체 유로(272)가 형성되어서 원통 축 방향으로 관통하는 유로와 스택의 단위 셀이 서로 소통하게 한다. 스택의 단위 셀 마다 대응하여 사용되는 개스킷 골격은 이러한 연결로를 만드는데 중요한 역할을 한다.

도 3a와 도 3b에는 스택을 외곽으로 감싸는 튜브형 보강체의 평면도와 사시도가 각각 도시되어 있다. 도 3c에는 개스킷 골격(gasket frame)의 사시도가 도시되어 있으며, 도 3d에는 보강체의 내부 공간에 개스킷 골격이 삽입된 상태의 평면도를 보여주는 도면으로, 수소 진입 유로와 수소 방출 유로가 각각 보강체 유로와 연결되고, 산소 진입 유로와 산소 방출 유로는 유로 폐쇄 돌출부에 의해 폐쇄된 상태를 보여주는 도면이 도시되어 있고, 도 3e에는 역시 보강체의 내부 공간에 개스킷 골격이 삽입된 상태의 평면도를 보여주는 도면으로, 산소 진입 유로와 산소 방출 유로가 각각 보강체 유로와 연결되고, 수소 진입 유로와 수소 방출 유로는 유로 폐쇄 돌출부에 의해 폐쇄된 상태를 보여주는 도면이 도시되어 있다.

보강체(240)의 내부 원통형 빈 공간(242)으로는 역시 원통형의 스택을 밀어 넣는 식으로 배치가 가능하다. 이 때 스택 단위셀의 한 구성 요소인 개스킷 골격의 돌출부가 보강체 내부 공간의 측면에 원통 축에 평행되게 형성된 계곡형 공간(255, 265)에 삽입되는 형식으로 배치되어 두 요소의, 즉 보강체와 스택의, 밀착 결합을 돕는다. 이 때 보강체의 중공부 내벽과 개스킷 골격 측면에 액상 접착제를 도포하면 건조와 함께 두 요소 사이의 빈공간을 채우며 밀착을 돕게 할 수 있다. 보강체의 원통 축 방향으로 관통된 4개의 유로 중 마주보는 두 개의 유로는 수소 유로(수소 진입 유로 및 수소 방출 유로)(251, 252)로서 수소가스가 용해된 전해액의 단위 셀로의 유출입, 나머지 두 개의 유로는 산소 유로(산소 진입 유로 및 산소 방출 유로)(261, 262)로서 산소가스가 용해된 전해액의 단위 셀로의 유출입 통로로 사용된다.

한편 보강체의 수소 유로와 단위 셀의 연결은 개스킷 골격의 돌출부에 형성된 개스킷 골격 유로(271)에 의해 계곡형 공간의 수소 연결로(255)가 개방된 상태로 유지되도록 함으로써, 그리고 보강체의 산소 유로와 단위 셀의 연결은 개스킷 골격의 돌출부에 형성된 개스킷 골격 유로(271)에 의해 계곡형 공간의 산소 연결로(265)가 개방된 상태로 유지되도록 함으로써 각각 달성된다. (보강체에 형성된 계곡형 공간 전체를 지칭하는 경우에도 부재번호를 255와 265를 사용하고, 그 일부분인 수소 연결로나 산소 연결로를 지칭하는 경우에도 부재번호 255와 265를 사용하였다.) 보강체에는 복수의 볼트 체결공(243)을 형성하여 보강체 내부에 배치된 스택의 단위 셀들을 결속하는데 사용할 수 있다. 따라서 보강체 상부와 하부를 덮는 두 개의 덮개 내부 표면은 스택의 최상부와 최하부 금속판의 외부 표면과 각각 접촉하여 볼트를 체결할 때 인가되는 힘이 단위 셀들을 압착하는 형식으로 전달되도록 한다.

개스킷 골격(270)은 외측으로 돌출된 두 개의 유로 폐쇄 돌출부(273)와 두 개의 유로 연결 돌출부(271)가 형성되어 있다. 유로 폐쇄 돌출부(273)는 보강체(240)의 수평방향 연결로(수소 연결로 또는 산소 연결로)(255 또는 265)를 폐쇄하고, 유로 연결 돌출부(271)는 보강체(240)의 수평방향 연결로(수소 연결로 또는 산소 연결로)(255 또는 265)의 단면 형상에 대응하는 외곽 형상을 가지면서 개스킷 골격 유로(272)가 형성되어 있어서 보강체 중공부에 배치되는 스택의 각 단위 셀과 보강체(240)에 형성된 유로(251, 252, 261 또는 262)가 소통되도록 할 수 있다. 보강체(240)의 연결로(255 또는 265)를 통하여 각 단위 셀의 수소전극(220) 또는 산소전극(210)으로 혹은 수소전극(220) 또는 산소전극(210)으로부터 보강체(240)의 연결로(255 또는 265)로 가스를 포함하는 전해액의 흐름을 만들기 위해서 개스킷 골격(270)은 단위 셀의 수소전극 또는 산소전극에 접촉되게 각각 하나씩 사용된다. 즉, 도 3d에 도시된 형태는 보강체에 형성된 수직성 수소 진입 유로(251) 및 수소 방출 유로(252)가 개스킷 골격 유로(272)에 의해 단위 셀과 연결되도록 하고, 도 3e에 도시된 형태(도 3c의 형태가 90도 회전한 것과 같은 형태)는 산소 진입 유로(261) 및 산소 방출 유로(262)가 개스킷 골격 유로(272)에 의해 단위 셀과 연결되도록 하는 방식이 사용될 수 있다.

한편, 내부 중공부를 갖는 상기 보강체의 환상(ring-shaped) 형태의 단면에서 그 환상(ring) 두께(환상 외벽과 내벽의 간격)(도 3a의 t)는 중공부 내경(도 3a의 d)의 10% 내지 100% 되게 형성되고, 상기 개스킷 골격 돌출부가 삽입되는 상기 보강체에서 수평방향 연결로의 단면적은 상기 수직성 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로의 단면적의 2% 내지 200%이다.

도 3d 및 도 3e에서 개스킷 골격이 보강체의 중공부에 밀착되지 않은 상태로 도시된 것은 개스킷 골격이 보강체 골격과 별개의 부재하는 것이 도면상에 드러나도록 하기 위한 것이고, 개스킷 골격이 개스킷 골격 유로를 사이에 두고 두 부분으로 나뉜 것처럼 도시하였지만, 개스킷 골격 유로에 의해 중공부가 수소 유로나 산소 유로와 연결되는 것이 잘 드러나도록 하기 위해 이와 같이 도시한 것일 뿐, 개스킷 골격이 개스킷 골격 유로를 사이에 두고 두 부분으로 나뉘도록 만들어지는 것은 아니다.

도 4에는 보강체의 수소 유로(251, 252) 및 수소 연결로(255)와 개스킷 골격 유로(272)가 단위 셀과의 소통되는 것을 보여주는 도면으로, 단위 셀이 보강체에 결합된 상태의 단면도가 도시되어 있다. 즉, 도 4는 스택이 보강체에 결합된 상태에서 도 3d에 도시된 IV-IV 선을 따라 자른 단면도이다. 도 4에 도시된 것과 같이, 단위 셀 내에는 도 3d에 도시된 형태의 개스킷 골격과 도 3c에 도시된 형태의 개스킷 골격 사이에 배치된 분리막(230)을 사이에 두고 아래에는 산소 전극(210), 위에는 수소전극(220)이 배치되고 각 전극에 접촉하여 다공성 기체 확산층(232)과 양극(bipolar)성 배전판(234)이 적층된다. 수소가스가 용해된 전해액은 보강체에 형성된 수직방향으로 형성된 수소 진입 유로(251) 그리고 수평방향으로 형성된 수소 진입 연결로(255)와 개스킷 골격 유로(272)를 통하여 단위 셀로 유입된 후, 역시 수평방향으로 형성된 개스킷 골격 유로, 보강체에 형성된 수평방향의 수소 방출 연결로(255) 및 수직방향으로 형성된 수소 방출 유로(252)를 통하여 방출된다. 수소 전극의 개스킷 골격(270) 가장자리에 형성된 유로 연결 돌출부(271)와 유로 폐쇄 돌출부(273)는 보강체에 형성된 연결로(255, 265)의 단면 형상(도면의 경우 사각형)에 대응하는 형상으로 만들어진다. 즉, 유로 폐쇄돌출부(273)는 상기 연결로(265)에 끼워 맞춰져서 상기 연결로(265)를 완전히 폐쇄하고, 상기 유로 연결 돌출부(271)는 상기 개스킷 골격 유로(271) 부분을 제외하고는 상기 연결로(255) 벽면에 완전히 밀착한다.
다시 설명하면, 상기 스택을 고분자 소재의 튜브형 보강체 내부의 중공부에 배치하여 외곽을 구조적으로 보강한 후 상기 하우징 내에 배치한다. 상기 보강체는 튜브 형태의 본체로 형성되어서 내측 중공부는 상기 스택을 수용하고 상기 중공부의 둘레에 서로 이격되고 상기 중공부와 연결되며 수직방향으로 연장된 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로가 형성되어 있다. 상기 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로가 각각 스택과 연결될 수 있는 수평방향 연결로가 형성되어 있다.
상기 스택에 포함되는 복수 개의 단위 셀은 각각 그 중앙부에 배치된 분리막을 사이에 두고 아래에는 산소 전극, 위에는 수소 전극이 배치되고 각 전극에 접촉하여 다공성 기체 확산층과 양극성 배전판이 배치되며, 수소 전극, 산소 전극, 다공성 기체 확산층들을 외측에서 감싸는 동시에 배전판에 밀착하는 링 형태의 개스킷 골격을 포함한다.
상기 링 형태의 개스킷 골격은 상기 분리막 일측에 위치한 수소전극, 다공성 기체 확산층을 감싸고 양극성 배전판과 밀착하는 부분과 분리막 다른 일측에 위치한 산소전극, 다공성 기체 확산층을 감싸고 양극성 배전판과 밀착하는 부분을 포함하고, 그 외측으로 돌출되어서 상기 보강체의 수평방향으로 형성된 수평방향 연결로에 삽입 되는 4개의 돌출부들을 구비하며, 상기 돌출부들 중 2개는 상기 수평방향 연결로를 폐쇄하고, 나머지 돌출부 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 상기 수평방향 연결로를 통한 유체 이동이 가능하도록 하며, 산소 전극을 감싸는 개스킷 골격과 수소 전극을 감싸는 개스킷 골격에서 개스킷 골격 유로가 형성된 돌출부가 서로 상이하여서 일측의 개스킷 골격 유로는 수소전극과 연통되고, 타측의 개스킷 골격은 산소 전극과 연통된다.
상기 보강체의 중공부를 형성하는 내벽과, 상기 보강체의 중공부에 배치되는 스택의 구성 요소인 상기 개스킷 골격의 측 방향 외벽이 서로 밀착된다.
수소 전극을 감싸는 개스킷 골격(수소 전극용 개스킷 골격)의 돌출부 4개 중 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 각각 수직성 수소 진입 유로 및 수소 방출 유로와 연결되고, 산소 전극을 감싸는 개스킷 골격(산소 전극용 개스킷 골격)의 돌출부 4개 중 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 각각 수직성 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로와 연결되며, 수소 전극용 개스킷 골격과 산소 전극용 개스킷 골격은 중공부 연장 방향과 나란한 중심축에 대해 서로 90도 회전된 형태로 배치된다.

본 발명의 장치(10)의 수소가스와 산소가스 압력의 등가화(equalization)를 위해서는 먼저 전해액 수위의 조정이 선행되어야 한다. 전기분해로 인한 수소 기수분리기 수위의 강하는 물 저장원으로부터의 물 공급과 산소 기수분리기로부터의 초과분 이동으로 충당된다. 도 5에서 보는 바와 같이 산소 기수분리기(400)의 수위가 상한선을 초과하면 그 초과분은 배출로(405)를 통하여 수소가스가 용해된 전해액과 합류하여 수소 기수분리기(300)로 이동된다. 이 때 합류된 혼합물은 전기화학 촉매칼럼(201)을 통과하여 산소 전해액에 용해된 산소를 제거한 후 수소 기수분리기(300)로 유입하게 만든다. 산소 기수분리기의 초과분은 배수로(406)를 통하여 하우징 외부로 방출시킬 수 있다.
다시 설명하면, 상기 스택에서 전기분해 진행과 함께 상기 수소 전극에서 소모되는 물을 공급하는 물 공급부가 더 설치된다. 상기 물 공급부에서 배수로 인해 생기는 빈 공간은 전기분해로부터 생산되는 수소가스로 채워진다. 상기 스택에서 전기분해 진행과 함께 산소전극에서 생성되는 물로 인해 산소 기수분리기 수위가 상한선을 초과하면 그 초과분은 스택 외부로 방출 시키거나 혹은 수소 기수분리기로 이동시킨다. 산소 기수분리기로부터 방출된 초과분은 단위 셀들이 적층되어 형성된 스택으로부터 배출된 수소가스와 전해액의 혼합물과 합류시킨 후 전기화학 촉매칼럼을 통과시켜 수소 기수분리기로 유입시킨다.

압력의 등가화를 위해서는 기수분리기 수위와 함께 가스가 장치 내에서 차지하는 부피의 조정이 필요하다. 이를 위해서는 먼저 전기분해 시작 시에 수소와 산소가스가 차지할 초기 부피를 정해야 하며 그 비율은 산소가 수소부피의 50% 이하가 되도록 한다. 이를 위해서 물 저장소와 하우징 내부로 물을 채우기 전에 일단 장치 내부의 공기를 펌프로 뽑아낸 후 물을 채울 때 가스가 유입될 초기 공간만 남겨 놓는다. 수소와 산소의 초기 공간 책정에 의해 이들 가스의 최종 압력이 결정된다. 전기분해가 진행되면서 측정(monitor)되는 장치내부의 수소가스와 산소가스 압력이 차이를 보일 때는 각 가스가 차지하는 부피를 조정한다. 이를 위해서 본 장치에서는 수소가스 보다는 산소가스 부피 조작이 용이하다. 그 이유는 산소가스가 유입되며 차지하는 하우징 내부의 부피가 물(150)의 배수로 조정 가능하기 때문이다.
이상의 내용을 다시 설명하면 다음과 같다. 장치 전체에서 전기분해 시작 후에 생성되는 수소가스와 산소가스가 유입될 공간은, 산소가스가 유입될 공간이 수소가스가 유입될 공간의 50% 이하이고, 수소가스가 유입되는 공간에는 물 저장소의 물이 배수되어 생기는 공간이 포함되고, 산소가스가 유입되는 공간에는 상기 하우징 내부를 채운 물이 배수되어 생기는 공간이 포함되며, 산소가스와 수소가스의 압력을 동등하게 조절할 수 있도록 상기 하우징에는 하우징 내부의 물을 배수하여 산소가스 공간의 부피를 조정하는 배수 조절부가 설치된다.

장치의 전해액은 각각 독립된 유로를 통하여 수소 기수분리기와 스택 그리고 산소 기수분리기와 스택 사이를 순환한다. 도 6a에서는 펌프를 사용하지 않으면서 전해액을 수소 기수분리기와 스택 사이를 순환시키는 원리를 보여준다. 산소 기수분리기와 스택 사이의 순환도 동일한 원리를 따른다. 순환시키는 힘을 얻기 위해서 기수분리기를 떠난 수소가스의 일부가 스택 방향으로 흐를 수 있도록 가지(bypass) 통로를 만든다. 그 통로에 소형의 수소가스 임시 저장소로 고압가스 챔버(330)(high pressure chamber)를 배치하고 소형의 전해액 공급용기(335)를 배치한다. 전해액 공급용기 내부에는 피스톤(336)을 설치하여 이와 접촉하는 용기의 상반부는 수소 전해액(320)으로 그리고 하반부는 가지 통로로 공급된 고압의 수소가스(311)로 채운다. 통로에 설치된 복수 밸브의 개폐를 통하여 고압가스 챔버(330) 내부의 수소가스 압력을 순간적으로 스택 내부의 압력보다 높게 만들고 그 가스 압력으로 피스톤을 상향 이동시켜 전해액을 스택으로 공급하는 것이다. 따라서 순환 경로 각 지점 간의 압력 차이를 유도함이 중요하며 이것은 복수의 개폐식 밸브를 사용하여 달성할 수 있다. 먼저 주 수소 저장소(700)로 통하는 경로(303)에 위치한 밸브(341)를 닫고 고압가스 챔버(330)로 통하는 밸브(342)를 열어 고압가스 챔버(330)의 압력을 높인다. 전해액을 밀어 낼 때는 밸브(341)를 다시 연다. 이 때 수소가스와 전해액의 혼합물은 배출로(301)를 따라 전기화학 촉매칼럼(201)을 통과한 후 수소 기수분리기(300)로 유입된다. 순환의 한 주기는 세 단계로 구성돼 있으며 이들은 각각,

Step 1: 임시 수소 저장소의 수소 충진

Step 2: 피스톤 사용에 의한 스택으로의 전해액 공급

Step 3: 전해액 공급용기의 전해액 재충전과 피스톤의 하향 이동

이며 이 스탭에 따른 복수 밸브의 개폐를 표 1에 요약하였다.

밸브 번호	341	342	343	344	345
step 1	c	o	c	o	o
step 2	o	c	o	c	o
step 3	o	c	o	o	o

(o: open c: close)

삭제

수소 가스 경로의 두 지점에서 측정되는 가스의 압력을 시간의 함수로, 혹은 주기와 스텝의 함수로 나타낸 프로화일을 도 6b에 표시하였다.
이상의 내용을 다시 설명하면 다음과 같다. 수소 고압가스 챔버는, 상기 스택으로부터 생성되어 상기 수소 방출 유로로 배출된 수소/전해액이 수소용 전기화학 촉매 칼럼과 수소용 기수분리기를 거치게 될 때, 수소용 기수분리기의 출구에서 수소 가스가 유입될 수 있도록 연결된다.
산소 고압가스 챔버는 상기 스택으로부터 생성되어 상기 산소 방출 유로로 배출된 산소/전해액이 산소용 전기화학 촉매 칼럼과 산소용 기수분리기를 거치게 될 때, 산소용 기수분리기의 출구에서 산소 가스가 유입될 수 있도록 연결된다.
전해액 공급용기는 내부가 피스톤에 의해 두 개의 공간으로 분리되고, 일측의 공간은 상기 수소 고압가스 챔버 또는 상기 산소 고압가스 챔버와 연결되고, 타측은 상기 수소용 기수분리기 또는 상기 산소용 기수분리기로부터 전해액이 공급되도록 연결되며, 상기 수소 또는 산소 고압가스 챔버에서 공급되는 압력에 의해 상기 수소용 기수분리기 또는 산소용 기수분리기로부터 공급된 전해액이 상기 보강체의 수소 진입 유로 또는 산소 진입 유로를 통해 상기 스택 내부로 공급되도록 한다.

지금까지 본 발명을 설명함에 있어, 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해짐이 자명하다.

10: 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치
110: 하우징
112: 상부 하우징에 형성된 환상형 플랜지
114: 하부 하우징에 형성된"ㄷ"형태의 환상형 구조.
116: 볼트
118: 너트
121: 물 공급 밸브
122: 물 공급 라인
150: 하우징의 내부의 빈 공간을 채우는 물
152: 하우징의 내부의 빈 공간을 채우는 고압 산소가스
153: 하부 밸브
200: 물 전기분해 스택
201: 전기화학 촉매칼럼
202: 물 전기분해부에서 스택을 제외한 구성요소.
205: 직류전원
210: 산소전극 220: 수소전극
230: 고분자 분리막
232: 다공성 금속 기체 확산층
234: 양극성 배전판(bipolar current collector)
240: 튜브형 스택 보강체
242: 스택이 배치되는 보강체 중앙부의 공간
243: 보강체에 형성된 볼트 체결공
251: 수소 진입 유로
252: 수소 방출 유로
255: 수소용 연결로
261: 산소 진입 유로
262: 산소 방출 유로
265: 산소용 연결로
270: 개스킷 골격
271: 유로 형성 돌출부
272: 개스킷 골격 유로
273: 유로 폐쇄 돌출부
300: 수소용 기수분리기
301: 스택으로부터 수소용 기수분리기로의 진입로
302: 수소용 기수분리기로부터 스택으로의 진입로
303: 수소용 기수분리기로부터 수소저장용기로의 배출로
308: 수소 저장용기의 수소가스
310: 기수분리기의 수소가스
311: 피스톤을 밀기 위한 고압 수소가스
312: 수소가스 정화칼럼
314: 수소가스 건조칼럼
320: 수소가스가 용해된 전해액
330: 수소가스가 용해된 전해액 혼합물의 순환을 돕는 수소 고압가스 챔버
335: 스택으로의 수소가스가 용해된 전해액 공급 용기
336: 수소가스가 용해된 전해액을 밀어내기 위한 피스톤
341, 342, 343, 344, 345: 밸브
400: 산소용 기수분리기
401: 스택으로부터 산소용 기수분리기로의 진입로
402: 산소용 기수분리기로부터 스택으로의 진입로
403: 산소용 기수분리기로부터 하우징 내부 산소가스층으로의 배출로.
405: 산소용 기수분리기 과잉 전해액의 수소용 기수분리기로의 공급로
406: 산소용 기수분리기 과잉 전해액의 전기분해부 외부로의 배수로.
410: 기수분리기의 산소가스
412: 산소가스 정화칼럼
414: 산소가스 건조칼럼
420: 산소가스가 용해된 전해액
620: 저장된 물
700: 고압 수소가스 저장용기
800: 고압 산소가스 저장용기

Claims

삭제
산소 전극과 수소 전극을 포함하는 복수 개의 단위 셀이 적층되고 전기분해에 의해 사용처의 수소 충전에 필요한 수소를 생산하고 압축하는 스택;
상기 스택에서 생산된 수소가스를 저장하는 수소가스 저장용기; 및
내부 공간에 스택이 설치된 것으로 외부와 내부 공간을 차단하는 하우징을 포함하고,
상기 스택은 상기 하우징 내에서 불연성 액체에 잠긴 상태로 배치되고,
상기 하우징에는 하부에 하우징 내의 불연성 액체를 배수할 수 있는 배수 조절부가 배치되며,
상기 스택에서 생산된 산소가스의 일부는 상기 하우징 내부 상부의 공간을 채우고 상기 배수 조절부가 상기 하우징으로부터 불연성 액체를 배수하여 산소가스의 압력을 조절함으로써 산소가스 압력은 수소가스 저장용기의 수소가스 압력과 평형을 유지하고,
상기 스택을 고분자 소재의 튜브형 보강체 내부의 중공부에 배치하여 외곽을 구조적으로 보강한 후 상기 하우징 내에 배치하고,
상기 보강체는 튜브 형태의 본체로 형성되어서 보강체의 내측 중공부는 상기 스택을 수용하고 상기 중공부의 둘레에 서로 이격되고 상기 중공부와 연결되며 수직방향으로 연장된 수직성 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로가 형성되어 있고, 상기 수직성 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로가 각각 스택과 연결될 수 있는 수평방향 연결로가 형성되어 있으며,
상기 스택에 포함되는 복수 개의 단위 셀에서 수소 전극, 산소 전극, 다공성 기체 확산층들을 외측에서 감싸는 동시에 배전판에 밀착하는 링 형태의 개스킷 골격은, 외측으로 돌출되어서 상기 보강체의 수평방향으로 형성된 수평방향 연결로에 삽입 되는 4개의 돌출부들을 구비하며, 상기 돌출부들 중 2개는 상기 수평방향 연결로를 폐쇄하고, 나머지 돌출부 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 상기 수평방향 연결로를 통한 유체 이동이 가능하도록 하며, 산소 전극을 감싸는 개스킷 골격과 수소 전극을 감싸는 개스킷 골격에서 개스킷 골격 유로가 형성된 돌출부가 서로 상이하여서 일측의 개스킷 골격 유로는 수소전극과 연통되고, 타측의 개스킷 골격은 산소 전극과 연통되며,
상기 보강체의 중공부를 형성하는 내벽과, 상기 보강체의 중공부에 배치되는 스택의 구성 요소인 상기 개스킷 골격의 측 방향 외벽이 서로 밀착된 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치.
제2항에 있어서,
수소 전극을 감싸는 개스킷 골격(수소 전극용 개스킷 골격)의 돌출부 4개 중 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 수소용 연결로를 통한 유체 유동이 가능하도록 하면서 하나의 개스킷 골격 유로는 수직성 수소 진입 유로에 연결되고 다른 하나의 개스킷 골격 유로는 수직성 수소 방출 유로와 연결되며,
산소 전극을 감싸는 개스킷 골격(산소 전극용 개스킷 골격)의 돌출부 4개 중 2개에는 개스킷 골격 유로가 형성되어 산소용 연결로를 통한 유체 유동이 가능하도록 하면서 하나의 개스킷 골격 유로는 수직성 산소 진입 유로에 연결되고 다른 하나의 개스킷 골격 유로는 수직성 산소 방출 유로와 연결되며,
수소 전극용 개스킷 골격과 산소 전극용 개스킷 골격은 동일한 형태이나 중공부 연장 방향과 나란한 중심축에 대해 서로 90도 회전된 상태로 배치된 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치.
제3항에 있어서,
내부 중공부를 갖는 상기 보강체의 환상 외벽과 내벽의 간격은 중공부 내경의 10% 내지 100% 로 형성되고,
상기 개스킷 골격 돌출부가 삽입되는 상기 보강체의 수평방향 연결로(수소용 연결로 및 산소용 연결로)의 단면적은 상기 수직성 수소 진입 유로, 수소 방출 유로, 산소 진입 유로 및 산소 방출 유로의 단면적의 2% 내지 200% 이며,
상기 수소 전극용 개스킷 골격의 돌출부 4개 중 수소용 연결로가 형성되지 않은 2개는 산소 진입 유로나 산소 방출 유로와 보강체의 내측 중공부 사이를 공간을 폐쇄하고,
상기 산소 전극용 개스킷 골격의 돌출부 4개 중 산소용 연결로가 형성되지 않은 2개는 수소 진입 유로나 수소 방출 유로와 보강체의 내측 중공부 사이 공간을 폐쇄하며,
상기 보강체 내벽과 상기 개스킷 골격 측면 외벽과의 접촉면에는 액상 접착제를 사용하여 밀착하고,
상기 보강체의 중공부에 평행하게 관통하도록 형성된 볼트 체결공을 통해 볼트에 의해 상하 방향으로 인접한 단위 셀 구성 요소 사이가 밀착된 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치.
제2항에 있어서,
상기 복수의 단위 셀들 사이에 배치되어 인접한 단위 셀의 수소 전극과 산소 전극을 분리하는 분리막은 양이온 교환수지 분리막, 음이온 교환수지 분리막 또는 다공성 분리막을 포함하는 분리막의 그룹에서 선택된 분리막인 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치.
제2항에 있어서,
상기 복수의 단위 셀들 사이에 배치되어 인접한 단위 셀의 수소 전극과 산소 전극을 분리하는 분리막으로 다공성 고분자 분리막이 사용되고,
상기 수소 전극에서 생산된 수소가스와 전해액의 혼합물은 수소용 전기화학 촉매 칼럼, 수소용 기수분리기를 거쳐 고압 수소가스 저장 용기에 저장되며,
상기 수소용 전기화학 촉매 칼럼에서는 상기 수소가스에 포함된 미량의 산소를 제거하고,
상기 산소 전극에서 생산된 산소가스와 전해액의 혼합물은 산소용 전기화학 촉매 칼럼, 산소용 기수분리기를 거쳐 고압 산소가스 저장 용기에 저장되며,
상기 산소용 전기화학 촉매 칼럼에서는 상기 산소가스에 포함된 미량의 수소를 제거하고,
상기 전기화학 촉매 칼럼 내부에는 고표면적 촉매 전극이 배치되고, 상기 고표면적 촉매 전극은 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 탄소를 포함하는 소재의 그룹에서 선택된 하나 이상의 소재로 만들어지고, 고표면적 촉매 전극 표면에는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir), 루테늄(Ru), 철(Fe), 코발트(Co) 및 은(Ag)을 포함하는 금속의 그룹에서 선택된 하나 이상의 금속이 코팅되어 있으며,
상기 고표면적 촉매 전극 표면에서는 수소의 산화반응과 산소의 환원반응이 동시에 일어나 물이 생성되면서 불순물인 산소 또는 수소가 제거되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치.
제6항에 있어서,
상기 스택에서 전기분해 진행과 함께 상기 수소 전극에서 소모되는 물을 공급하는 물 공급부를 더 포함하고,
상기 물 공급부에서 배수로 인해 생기는 빈 공간은 전기분해로부터 생산되는 수소가스로 채우고,
상기 스택에서 전기분해 진행과 함께 산소전극에서 생성되는 물로 인해 산소 기수분리기 수위가 상한선을 초과하면 상한선 초과분은 스택 외부로 방출 시키거나 혹은 수소 기수분리기로 이동시키며,
산소 기수분리기로부터 방출된 초과분은 단위 셀들이 적층되어 형성된 스택으로부터 배출된 수소가스와 전해액의 혼합물과 합류시킨 후 전기화학 촉매칼럼을 통과시켜 수소 기수분리기로 유입시키는 방식을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 스택으로부터 생성되어 상기 수소 방출 유로로 배출된 수소가스가 용해된 전해액은 수소용 전기화학 촉매 칼럼과 수소용 기수분리기를 거치게 되고, 수소용 기수분리기의 출구에서 수소 가스가 유입될 수 있도록 연결된 수소 고압가스 챔버;
상기 스택으로부터 생성되어 상기 산소 방출 유로로 배출된 산소가스가 용해된 전해액은 산소용 전기화학 촉매 칼럼과 산소용 기수분리기를 거치게 되고, 산소용 기수분리기의 출구에서 산소 가스가 유입될 수 있도록 연결된 산소 고압가스 챔버; 및
내부가 피스톤에 의해 두 개의 공간으로 분리되고, 일측의 공간은 상기 수소 고압가스 챔버 또는 상기 산소 고압가스 챔버와 연결되고, 타측은 상기 수소용 기수분리기 또는 상기 산소용 기수분리기로부터 전해액이 공급되도록 연결되며, 상기 수소 또는 산소 고압가스 챔버에서 공급되는 압력에 의해 상기 수소용 기수분리기 또는 산소용 기수분리기로부터 공급된 전해액이 상기 보강체의 수직성 수소 진입 유로 또는 산소 진입 유로를 통해 상기 스택 내부로 공급되도록 하는 전해액 공급용기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치.
제2항에 있어서,
장치 전체에서 전기분해 시작 후에 생성되는 수소가스와 산소가스가 유입될 공간은, 산소가스가 유입될 공간이 수소가스가 유입될 공간의 50% 이하인 것을 특징으로 하는 물 전기분해를 이용한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치.
제2항에 있어서,
단위 셀들이 적층되어 형성되는 스택을 수용하는 상기 하우징은 하부 하우징과 상부 하우징을 포함하고,
상기 상부 하우징에는 일측만 개방된 중공부가 형성되어 있고, 개방된 부분의 둘레를 따라 외측으로 연장된 플랜지가 형성되어 있으며,
상기 하부 하우징에는 일측만 개방된 중공부가 형성되어 있고, 개방된 부분의 둘레를 따라 외측으로 연장된 것으로 상기 상부 하우징의 플랜지를 수용하는 'L'자형 플랜지가 형성되어 있으며,
상기 플랜지를 상기 'L'자형 플랜지를 향하여 누르면서 고정되는 가압부를 더 구비하고,
상기 'L'자형 플랜지와 상기 가압부를 볼트로 체결함으로써 하우징 내부의 중공부에서의 압력이 증가하는 경우 상기 가압부와 상기 플랜지 사이의 기밀성이 강화되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해에 의한 고압 수소 및 산소가스 생산 및 저장 장치.