KR102564532B1 - Power vertically oriented monopolar water electrolysis stack - Google Patents
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Abstract
전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 개시된다. 개시된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 하나 이상의 애노드 분리판, 상기 하나 이상의 애노드 분리판과 마주 보도록 배치된 하나 이상의 캐소드 분리판, 및 상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판 중 서로 이웃하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이마다 이들과 마주 보도록 배치된 단위셀을 포함하고, 상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판은 서로 하나씩 교대로 배치된다.A power vertically aligned monopolar water electrolysis stack is disclosed. The disclosed power vertically aligned monopolar water electrolysis stack includes one or more anode separators, one or more cathode separators disposed to face the one or more anode separators, and each other among the one or more anode separators and the one or more cathode separators. It includes unit cells arranged to face each other between adjacent anode separators and cathode separators, and the one or more anode separators and the one or more cathode separators are alternately disposed one by one.
Description
전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 개시된다. 보다 상세하게는, 신규한 구조의 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 개시된다.A power vertically aligned monopolar water electrolysis stack is disclosed. More specifically, a power vertical alignment type monopolar water electrolysis stack with a novel structure is disclosed.
현대 수소 사회를 구현하기 위해 사용되고 있는 대부분의 수소는 석유화학 공정의 부산물로 나오는 부생수소 및 천연가스를 개질해 만드는 추출수소인 그레이 수소이다.Most of the hydrogen used to realize the modern hydrogen society is gray hydrogen, which is extracted by reforming natural gas and by-product hydrogen that comes out as a by-product of petrochemical processes.
그러나, 그레이 수소는 최근 불거지고 있는 환경문제를 해결하기 위한 탄소화합물 저감과는 거리가 있어 순수하게 이산화탄소 혹은 오염물질을 배출하지 않는 방법으로서 수전해를 활용하여 수소를 얻는 방법이 가장 널리 알려진 방법이다. 이를 위해 운영 환경과 기술에 따라 다양한 수전해 방법이 개발되고 있다. However, gray hydrogen is far from reducing carbon compounds to solve recent environmental problems. As a method that does not emit carbon dioxide or pollutants purely, the method of obtaining hydrogen using water electrolysis is the most widely known method. . To this end, various water electrolysis methods are being developed according to the operating environment and technology.
수전해는 물과 전기를 투입하여 수소와 산소를 얻어내는 것을 목적으로 하며, 이때 생성되는 배출물은 수소와 산소이며, 이들 중 수소는 고순도(99%↑)의 수소이다. 따라서, 수전해는 현재 수소경제에서 요구하는 탄소화합물 발생 저감에 부합하는 최적의 방법이라고 할 수 있다. Water electrolysis aims to obtain hydrogen and oxygen by injecting water and electricity, and the output produced at this time is hydrogen and oxygen, among which hydrogen is high-purity (99%↑) hydrogen. Therefore, water electrolysis can be said to be the optimal method to meet the reduction of carbon compound generation required by the current hydrogen economy.
PEM(polymer electrolyte membrane) 타입 수전해는 PEM을 구성하는 구성 부재들, 운전 온도, 전압 및 반응원료인 물의 순도 등 고려해야 하는 부분이 많으며, 비교적 낮은 온도에서 작동하지만 운전 최적온도가 상온에 비해서는 높은 편이기 때문에 이를 적절히 유지하는 기술, 구성 부재들을 적절히 배치하여 최적의 효율을 이끌어내는 기술, 전기 분해시 최대 효율을 지속적으로 유지할 수 있는 전기 컨트롤 및 물의 공급 등 다양한 기술이 필요하다. PEM (polymer electrolyte membrane) type water electrolysis has many parts to consider, such as the components constituting PEM, operating temperature, voltage, and purity of water as a reaction raw material. Since it is on the side, various technologies such as technology to properly maintain it, technology to properly arrange components to derive optimal efficiency, and electric control and water supply to continuously maintain maximum efficiency during electrolysis are required.
현재 많이 연구 및 적용되고 있는 PEM을 활용한 수전해의 경우 넓은 면적의 단위셀들을 직렬로 연결하여 최대한의 효율을 이끌어내는 방식을 사용하고 있다. 하지만, 이로 인하여 스택의 성능이 저하되더라도 어느 부분에서 문제가 발생 하였는지 알기 어려운 상황이며, 스택 효율의 극대화 및 가스의 유출을 막기 위해 스택 조립에 있어서 상당한 부하가 걸리는 구조를 고안 및 적용하고 있다. In the case of water electrolysis using PEM, which is currently being researched and applied a lot, a method of deriving maximum efficiency is used by connecting large area unit cells in series. However, even if the performance of the stack is deteriorated due to this, it is difficult to know where the problem occurred, and in order to maximize stack efficiency and prevent gas leakage, a structure that takes a significant load is devised and applied.
특히, PEM의 경우 운전 온도에 민감하게 반응하는 경우가 많은데, 스택 자체를 운전할 때 전기분해로 인한 열이 발생하여 열관리가 매우 중요하다. PEM의 경우 온도가 120℃를 넘을 경우 주요 부품에 무리가 가서 운전을 할 수 없는 상황이 발생한다. In particular, in the case of PEMs, they often respond sensitively to the operating temperature, and when operating the stack itself, heat due to electrolysis is generated, so thermal management is very important. In the case of PEM, if the temperature exceeds 120℃, the main parts become overworked and the operation becomes impossible.
또한, 기존의 직렬 연결 방식인 바이폴라 형식의 수전해 스택은 단위셀을 직렬로 연결한다는 점에서 최대 성능을 이끌어 낼 수 있는 장점을 가지고 있지만, 적층하는 구조에 따라 목표 성능이 나오지 않을 경우에는 어느 단위셀에 문제가 발생하였는지 찾기가 쉽지 않고 이에 따른 처리가 쉽지 않다는 단점이 있다. 또한, 성능에 문제가 생긴 스택에서 전류의 유출 및 불순물이 발생할 수 있는 위험성도 존재한다.In addition, the bipolar type water electrolysis stack, which is a conventional series connection method, has the advantage of obtaining maximum performance in that unit cells are connected in series, but if the target performance does not come out depending on the stacking structure, which unit There is a disadvantage in that it is not easy to find out whether a problem has occurred in the cell, and it is not easy to process accordingly. In addition, there is a risk that current leakage and impurities may occur in a stack having a performance problem.
본 발명의 일 구현예는 신규한 구조의 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택을 제공한다.One embodiment of the present invention provides a power vertically aligned monopolar water electrolysis stack having a novel structure.
본 발명의 일 측면은,One aspect of the present invention,
하나 이상의 애노드 분리판;one or more anode separator plates;
상기 하나 이상의 애노드 분리판과 마주 보도록 배치된 하나 이상의 캐소드 분리판; 및one or more cathode separators disposed to face the one or more anode separators; and
상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판 중 서로 이웃하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이마다 이들과 마주 보도록 배치된 단위셀을 포함하고,Among the one or more anode separators and the one or more cathode separators, unit cells are disposed to face each other between adjacent anode separators and cathode separators,
상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판은 서로 하나씩 교대로 배치된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택을 제공한다.The one or more anode separators and the one or more cathode separators are arranged alternately with each other to provide a vertically aligned monopolar water electrolysis stack.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 복수개의 애노드 분리판을 포함하고, 스택 조립후, 상기 복수개의 애노드 분리판은 헤드들이 서로 접촉하도록 구성될 수 있다.The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack may include a plurality of anode separators, and after assembly of the stack, the plurality of anode separators may have heads in contact with each other.
상기 복수개의 애노드 분리판은 하나 이상의 제1 애노드 분리판 및 하나의 제2 애노드 분리판을 포함하고, 상기 제1 애노드 분리판은 T자형 헤드를 포함하고, 상기 제2 애노드 분리판은 일측 돌출부를 갖는 헤드를 포함할 수 있다.The plurality of anode separators include one or more first anode separators and one second anode separator, wherein the first anode separator includes a T-shaped head, and the second anode separator has one side protrusion. It may include a head having
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체를 더 포함할 수 있다.The vertically aligned monopolar water electrolysis stack may further include an anode current collector disposed to cover all heads of the plurality of anode separators.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 복수개의 캐소드 분리판을 포함하고, 스택 조립후, 상기 복수개의 캐소드 분리판은 헤드들이 서로 접촉하도록 구성될 수 있다.The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack may include a plurality of cathode separator plates, and after assembling the stack, the plurality of cathode separator plates may have heads in contact with each other.
상기 복수개의 캐소드 분리판은 하나 이상의 제1 캐소드 분리판 및 하나의 제2 캐소드 분리판을 포함하고, 상기 캐소드 분리판은 T자형 헤드를 포함하고, 상기 제2 캐소드 분리판은 일측 돌출부를 갖는 헤드를 포함할 수 있다.The plurality of cathode separators include one or more first cathode separators and one or more second cathode separators, wherein the cathode separators include a T-shaped head, and the second cathode separator includes a head having a protrusion on one side. can include
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함할 수 있다.The vertically aligned monopolar water electrolysis stack may further include a cathode current collector disposed to cover all heads of the plurality of cathode separators.
상기 단위셀은 분리막, 상기 분리막을 중심으로 일측에 차례로 배치된 애노드 촉매층과 애노드, 및 상기 분리막을 중심으로 타측에 차례로 배치된 캐소드 촉매층과 캐소드를 포함할 수 있다.The unit cell may include a separator, an anode catalyst layer and an anode sequentially disposed on one side around the separator, and a cathode catalyst layer and a cathode sequentially disposed on the other side around the separator.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은, 스택 조립후, 상기 애노드는 대응 애노드 분리판과 전기적으로 접촉하고, 상기 캐소드는 대응 캐소드 분리판과 전기적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack may be configured such that, after the stack is assembled, the anode is in electrical contact with a corresponding anode separator plate and the cathode is in electrical contact with a corresponding cathode separator plate.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 전류가 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드에 동시에 인가되어 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드까지 동시에 일방향으로 흐르도록 구성될 수 있다.The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack may be configured so that current is simultaneously applied to the heads of the one or more anode separators and flows simultaneously to the heads of the one or more cathode separators in one direction.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 전류가 애노드 집전체를 통해 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드에 동시에 인가되어 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드를 동시에 통과한 후 캐소드 집전체까지 일방향으로 흐르도록 구성될 수 있다.In the vertically aligned monopolar water electrolysis stack, current is simultaneously applied to the heads of the one or more anode separators through an anode current collector, passes through the heads of the one or more cathode separators, and then flows in one direction to the cathode current collector. It can be configured as a list.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드와 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드 사이의 전압, 또는 상기 애노드 집전체와 상기 캐소드 집전체 사이의 전압이 일정한 기준값을 갖도록 구성될 수 있다.The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack is such that the voltage between the head of the one or more anode separators and the head of the one or more cathode separators or the voltage between the anode current collector and the cathode current collector has a constant reference value. can be configured.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드와 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 테일 사이, 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드와 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 테일 사이에는 열교환 통로가 형성되도록 구성될 수 있다.In the power vertical alignment monopolar water electrolysis stack, between the head of the one or more anode separators and the tail of the one or more cathode separators, and between the head of the one or more cathode separators and the tail of the one or more anode separators It may be configured to form a heat exchange passage.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판을 포함하는 분리판 전체를 사이에 두고 일측 및 타측에 하나씩 배치된 한쌍의 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다. The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack may further include a pair of end plates disposed on one side and the other side with the entire separator including the one or more anode separators and the one or more cathode separators interposed therebetween. there is.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 한쌍의 엔드 플레이트로는 전류가 인가되지 않도록 구성될 수 있다.The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack may be configured such that no current is applied to the pair of end plates.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 한쌍의 엔드 플레이트를 결합하도록 구성된 하나 이상의 결합부재를 더 포함할 수 있다.The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack may further include one or more coupling members configured to couple the pair of end plates.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 한쌍의 엔드 플레이트 중 어느 하나에 설치된 물 공급구, 산소와 미반응물 배출구 및 수소 배출구를 포함할 수 있다.The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack may include a water supply port, an oxygen and unreacted material outlet, and a hydrogen outlet installed on any one of the pair of end plates.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드와 테일 사이의 부분을 관통하여 애노드 분리판마다 설치된 제1 온도 센서, 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드와 테일 사이의 부분을 관통하여 캐소드 분리판마다 설치된 제2 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서는 서로 엇갈리게 설치될 수 있다.The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack includes a first temperature sensor installed for each anode separator passing through a portion between the head and tail of the one or more anode separators, and between the head and tail of the one or more cathode separators. It may further include second temperature sensors installed on each cathode separator plate through the portion, and the first temperature sensors and the second temperature sensors may be installed alternately with each other.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드를 관통하여 애노드 분리판마다 설치된 제1 데이터 로거 단자 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드를 관통하여 캐소드 분리판마다 설치된 제2 데이터 로거 단자를 더 포함할 수 있다.The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack is a first data logger terminal installed for each anode separator passing through the head of the one or more anode separators and a first installed for each cathode separator passing through the head of the one or more cathode separators 2 Data logger terminals may be further included.
본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 하기와 같은 이점을 갖는다:The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention has the following advantages:
(1) 스택의 개수가 증가해도 전압이 증가하지 않는다.(1) The voltage does not increase even if the number of stacks increases.
(2) 각각의 분리판에 연결된 데이터 라인을 통해 전류, 전압, 저항 및 온도 등의 정보를 실시간으로 수집할 수 있다.(2) Information such as current, voltage, resistance and temperature can be collected in real time through data lines connected to each separator.
(3) 특정 부분에 문제가 발생할 경우 즉각적으로 확인이 가능하며, 해당 부분을 원활하게 교체할 수 있다.(3) If a problem occurs in a specific part, it can be checked immediately, and the part can be replaced smoothly.
(4) 스택 간의 전압차를 최소화하여 전류 효율의 감소를 줄일 수 있다.(4) A decrease in current efficiency can be reduced by minimizing a voltage difference between stacks.
(5) 분리판의 헤드 부분을 통해 전류 분배가 원활하게 이루어질 수 있다.(5) Current distribution can be made smoothly through the head of the separator.
(6) 운전 중 발생하는 열을 외부로 배출시키기에 유리하고, 배출된 열을 재활용하기에도 유리하다.(6) It is advantageous to dissipate the heat generated during operation to the outside, and it is also advantageous to recycle the discharged heat.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 조립되기 전의 구성으로서 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 조립되기 전의 구성으로서 단위셀이 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택에 구비되는 단위셀의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택의 전류 흐름 방향을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택의 일단부와 타단부 사이에 걸리는 전압을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이, 운전 중 발생하는 열을 효율적으로 배출할 수 있는 구조적 장점을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 조립된 후의 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이, 운전 중 전류, 전압, 저항 및 온도 등의 정보를 실시간으로 수집할 수 있는 구조적 장점을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택의 물 공급, 산소 배출, 미반응물 배출 및 수소 배출 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택 중 일측 엔드플레이트에 설치된 물 공급구, 산소와 미반응물 배출구 및 수소 배출구를 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a configuration in which a current collector is omitted as a configuration before a vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention is assembled.
2 is a view schematically showing a configuration in which a unit cell is omitted as a configuration before assembling a vertical alignment type monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram schematically showing the configuration of a unit cell provided in a power vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view showing a current flow direction of a vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a voltage applied between one end and the other end of a power vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining that a vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention has a structural advantage of efficiently dissipating heat generated during operation.
7 is a view schematically showing a configuration after assembling a power vertical alignment type monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention. , It is a drawing to explain that it has a structural advantage of being able to collect information such as current, voltage, resistance and temperature in real time during operation.
8 is a view for explaining water supply, oxygen discharge, unreacted material discharge, and hydrogen discharge paths of a vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
9 is a view showing a water supply port, an oxygen and unreacted material outlet, and a hydrogen outlet installed on one end plate of a vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택을 상세히 설명한다. Hereinafter, a power vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)이 조립되기 전의 구성으로서 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.1 is a view schematically showing a configuration in which a current collector is omitted as a configuration before a vertically aligned monopolar
본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2), 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2) 및 하나 이상의 단위셀(110)을 포함한다.The power vertically aligned monopolar
예를 들어, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 복수개의 애노드 분리판(121-1, 121-2)을 포함할 수 있다. 이 경우, 스택 조립후, 복수개의 애노드 분리판(121-1, 121-2)은 헤드들(121-1h, 121-2h)이 서로 접촉하도록 구성될 수 있다.For example, the power vertically aligned monopolar
복수개의 애노드 분리판(121-1, 121-2)은 하나 이상의 제1 애노드 분리판(121-1) 및 하나의 제2 애노드 분리판(121-2)을 포함할 수 있다. The plurality of anode separators 121-1 and 121-2 may include one or more first anode separators 121-1 and one second anode separator 121-2.
제1 애노드 분리판(121-1)은 T자형 헤드(121-1h)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 애노드 분리판(121-1)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 T자형일 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 애노드 분리판(121-1)은 다른 다양한 형상의 헤드(121-1h)를 포함할 수 있다.The first anode separator 121-1 may include a T-shaped head 121-1h. Specifically, the overall shape of the narrow side of the side surfaces of the first anode separator 121-1 may be T-shaped. However, the present invention is not limited thereto, and the first anode separator 121-1 may include heads 121-1h of various other shapes.
제2 애노드 분리판(121-2)은 일측 돌출부를 갖는 헤드(121-2h)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 애노드 분리판(121-2)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 180° 뒤집힌 ㄱ자형 또는 다른 다양한 형상일 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 애노드 분리판(121-2)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 변형된 일자형으로서 그 일단부가 인접 제1 애노드 분리판(121-1)의 T자형 또는 다른 다양한 형상의 헤드(121-1h)쪽으로 90°구부러진 형태일 수 있다.The second anode separator 121-2 may include a head 121-2h having a protrusion on one side. Specifically, the entire shape of the narrow side of the second anode separator 121-2 may be an L-shape inverted by 180° or other various shapes. More specifically, the second anode separator 121-2 is a straight line shape in which the overall shape of the narrow side of the side is deformed, and one end thereof is the T-shape of the adjacent first anode separator 121-1 or other It may be bent at 90° towards the head 121-1h of various shapes.
하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)은 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)과 마주 보도록 배치될 수 있다.One or more cathode separators 122-1 and 122-2 may be disposed to face one or more anode separators 121-1 and 121-2.
예를 들어, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 복수개의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)을 포함할 수 있다. 이 경우, 스택 조립후, 복수개의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)은 헤드들(122-1h, 122-2h)이 서로 접촉하도록 구성될 수 있다.For example, the power vertically aligned monopolar
복수개의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)은 하나 이상의 제1 캐소드 분리판(122-1) 및 하나의 제2 캐소드 분리판(122-2)을 포함할 수 있다. The plurality of cathode separators 122-1 and 122-2 may include one or more first cathode separators 122-1 and one or more second cathode separators 122-2.
제1 캐소드 분리판(122-1)은 T자형 헤드(122-1h)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 캐소드 분리판(122-1)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 T자형일 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 캐소드 분리판(122-1)은 다른 다양한 형상의 헤드(122-1h)를 포함할 수 있다.The first cathode separator 122-1 may include a T-shaped head 122-1h. Specifically, the overall shape of the narrow side of the side surfaces of the first cathode separator 122-1 may be T-shaped. However, the present invention is not limited thereto, and the first cathode separator 122-1 may include heads 122-1h having various other shapes.
제2 캐소드 분리판(122-2)은 일측 돌출부를 갖는 헤드(122-2h)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 캐소드 분리판(122-2)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 180° 뒤집힌 ㄴ자형 또는 다른 다양한 형상일 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 캐소드 분리판(122-2)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 변형된 일자형으로서 그 일단부가 인접 제1 캐소드 분리판(122-1)의 T자형 또는 다른 다양한 형상의 헤드(122-1h)쪽으로 90°구부러진 형태일 수 있다.The second cathode separator 122-2 may include a head 122-2h having a protrusion on one side. Specifically, the entire shape of the narrow side of the second cathode separator 122-2 may be an L-shape inverted by 180° or various other shapes. More specifically, the second cathode separator 122-2 is a straight line shape in which the overall shape of the narrower side of the side is deformed, and one end thereof is the T-shape of the adjacent first cathode separator 122-1 or other It may be bent at 90° toward the head 122-1h of various shapes.
또한, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)를 더 포함할 수 있다. 한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)에 대해서는 후술하기로 한다.In addition, the power vertically aligned monopolar
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)이 조립되기 전의 구성으로서 단위셀(110)이 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.2 is a view schematically showing a configuration in which the
비록 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 복수개의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드들(121-1h, 121-2h)을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체, 및 복수개의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드들(122-1h, 122-2h)을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함할 수 있다.Although not shown in FIG. 2, the power vertically aligned monopolar
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)에 구비되는 단위셀(110)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.3 is a diagram schematically showing the configuration of a
도 3을 참조하면, 단위셀(110)은 분리막(111), 애노드 촉매층(112a), 애노드(113a), 캐소드 촉매층(112c) 및 캐소드(113c)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3 , the
분리막(111)은 단위셀(110)의 중심에 배치될 수 있다.The
애노드 촉매층(112a)은 분리막(111)의 일측에 배치될 수 있다.The
애노드 촉매층(112a)에서는 물이 하기 반응식 1과 같이 산소가스(O2), 전자(e-) 및 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해되는 분해반응이 일어난다. 이때, 산소가스(O2)는 확산에 의해 단위셀(110)의 외부로 유출되며, 수소이온(H+)은 전기장에 의해 분리막(111)을 통과하여 캐소드 촉매층(112c)으로 이동하며, 반응에 의하여 생성된 전자(e-)는 외부회로(미도시)를 거쳐 캐소드 촉매층(112c)으로 이동한다.In the
[반응식 1][Scheme 1]
2H2O → 4H+ + 4e- + O2 2H 2 O → 4H + + 4e - + O 2
애노드(113a)는 애노드 촉매층(112a)의 일측에 배치될 수 있다.The
캐소드 촉매층(112c)은 분리막(111)의 타측에 배치될 수 있다.The
캐소드 촉매층(112c)에서는 애노드 촉매층(112a)으로부터 캐소드 촉매층(112c)으로 이동한 수소이온(H+)과 전자(e-)가 반응하여 하기 반응식 2와 같이 수소가스(H2)가 생성된다.In the
[반응식 2][Scheme 2]
4H+ + 4e- → 2H2 4H + + 4e - → 2H 2
캐소드(113c)는 캐소드 촉매층(112c)의 타측에 배치될 수 있다.The
단위셀(110)에서 일어나는 전체 반응(총괄 반응)은 하기 반응식 3과 같다.The overall reaction (general reaction) occurring in the
[반응식 3][Scheme 3]
2H2O → O2(애노드 촉매층(112a)) + 2H2(캐소드 촉매층(112c))2H 2 O → O 2 (
또한, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은, 스택 조립후, 애노드(113a)는 대응 애노드 분리판(121-1, 121-2)과 전기적으로 접촉하고, 캐소드(113c)는 대응 캐소드 분리판(122-1, 122-2)과 전기적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.In addition, in the power vertically aligned monopolar
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)의 전류 흐름 방향(CFD)을 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view showing a current flow direction (CFD) of a vertically aligned monopolar
도 4를 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 전류가 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)에 동시에 인가되어 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)까지 동시에 일방향으로 흐르도록 구성될 수 있다. 또한, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 전류가 애노드 집전체(미도시)를 통해 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)에 동시에 인가되어 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)를 동시에 통과한 후 캐소드 집전체(미도시)까지 일방향으로 흐르도록 구성될 수도 있다. 따라서, 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)는 모두 (+) 극성을 나타내고, 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)는 모두 (-) 극성을 나타내게 된다. 결과적으로, 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h) 및 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)를 통해 전류 분배가 원활하게 이루어질 수 있다.Referring to FIG. 4, in the vertically aligned monopolar
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)의 일단부와 타단부 사이에 걸리는 전압을 나타낸 도면이다.5 is a diagram showing a voltage applied between one end and the other end of a vertically aligned monopolar
도 5를 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)와 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h) 사이의 전압, 및/또는 애노드 집전체(미도시)와 캐소드 집전체(미도시) 사이의 전압이 일정한 기준값(예를 들어, 2V)을 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 스택(즉, 단위셀(110))의 개수가 증가하더라도 전압이 증가하지 않는다. 즉, 스택 간의 전압차를 최소화하여 전해질의 전기전도도에 의한 전류 효율의 감소를 줄일 수 있다.Referring to FIG. 5, the power vertically aligned monopolar
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)이, 운전 중 발생하는 열(GH)을 효율적으로 배출할 수 있는 구조적 장점을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining that the power vertically aligned monopolar
도 6을 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)와 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 테일(tail) 사이, 및 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)와 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 테일 사이에 열교환 통로(HEXP)가 형성되도록 구성될 수 있다. 여기서, “테일”이란 “헤드”의 정반대쪽 단부를 의미한다. 열교환 통로(HEXP)를 통해 냉매(예를 들어, 냉각수)를 순환시킴으로써 운전 중 발생하는 열(GH)을 외부로 배출시키기에 유리하고, 배출된 열을 재활용하기에도 유리하며, 수전해 시스템의 운전지역이 고온환경일 경우, 스택에서 발생하는 열의 배출은 필수이므로 이에 대한 장점을 갖는다.Referring to FIG. 6 , the vertically aligned monopolar
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)이 조립된 후의 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이, 운전 중 전류, 전압, 저항 및 온도 등의 정보를 실시간으로 수집할 수 있는 구조적 장점을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view schematically showing a configuration after the power vertically aligned monopolar
도 1 및 도 2와 함께 도 7을 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7 together with FIGS. 1 and 2 , the power vertically aligned monopolar
한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)는 하나 이상의 애노드 분리판 애노드 분리판(121-1, 121-2) 및 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)을 포함하는 분리판 전체를 사이에 두고 일측 및 타측에 하나씩 배치될 수 있다.The pair of
또한, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)로는 전류가 인가되지 않도록 구성될 수 있다.In addition, the power vertically aligned monopolar
또한 도 7을 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)를 결합하도록 구성된 하나 이상의 결합부재(150)를 더 포함할 수 있다.Referring also to FIG. 7 , the vertical alignment type monopolar
또한 도 7을 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 제1 온도 센서(TS1) 및 제2 온도 센서(TS2)를 더 포함할 수 있다. Referring also to FIG. 7 , the vertical alignment type monopolar
제1 온도 센서(TS1)는 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)와 테일 사이의 부분을 관통하여 애노드 분리판(121-1, 121-2)마다 설치될 수 있다. 구체적으로, 제1 온도 센서(TS1)는 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)와 테일 사이의 측면들 중 폭이 좁은 측면을 수직으로 관통하여 캐소드 분리판(122-1, 122-2)과 교대로 설치된 애노드 분리판(121-1, 121-2)을 따라 애노드 분리판(121-1, 121-2)마다 일렬로 설치될 수 있다.The first temperature sensor TS1 penetrates a portion between the heads 121-1h and 121-2h and the tail of the one or more anode separators 121-1 and 121-2 to form the anode separators 121-1 and 121 -2) can be installed every time. Specifically, the first temperature sensor TS1 is vertically connected to the narrow side of the sides between the heads 121-1h and 121-2h and the tail of the one or more anode separators 121-1 and 121-2. Each of the anode separators 121-1 and 121-2 may be installed in a row along the anode separators 121-1 and 121-2 installed alternately with the cathode separators 122-1 and 122-2 through the penetration. there is.
제2 온도 센서(TS2)는 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)와 테일 사이의 부분을 관통하여 캐소드 분리판(122-1, 122-2)마다 설치될 수 있다. 구체적으로, 제2 온도 센서(TS2)는 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)와 테일 사이의 측면들 중 폭이 좁은 측면을 수직으로 관통하여 애노드 분리판(121-1, 121-2)과 교대로 설치된 캐소드 분리판(122-1, 122-2)을 따라 캐소드 분리판(122-1, 122-2)마다 일렬로 설치될 수 있다. 따라서, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 제1 온도 센서(TS1)와 제2 온도 센서(TS2)를 통해 각각의 단위셀(110)의 온도를 실시간으로 수집할 수 있다.The second temperature sensor TS2 penetrates a portion between the heads 122-1h and 122-2h and the tail of the one or more cathode separators 122-1 and 122-2 to reach the cathode separators 122-1 and 122. -2) can be installed every time. Specifically, the second temperature sensor TS2 vertically extends the narrow side of the sides between the heads 122-1h and 122-2h and the tail of the one or more cathode separators 122-1 and 122-2. Each of the cathode separators 122-1 and 122-2 may be installed in a row along the anode separators 121-1 and 121-2 and the cathode separators 122-1 and 122-2 alternately installed therethrough. there is. Therefore, the power vertically aligned monopolar
또한, 제1 온도 센서(TS1)와 제2 온도 센서(TS2)는 서로 엇갈리게 설치될 수 있다. 구체적으로, 애노드 분리판(121-1, 121-2)마다 일렬로 설치된 제1 온도 센서들(TS1)을 연결한 제1 가상선과 캐소드 분리판(122-1, 122-2)마다 일렬로 설치된 제2 온도 센서들(TS2)을 연결한 제2 가상선은 서로 일치하거나 중첩되지 않고 서로 미리 결정된 간격만큼 이격될 수 있다. 만일, 상기 제1 가상선과 상기 제2 가상선이 서로 일치하거나 중첩하게 되면 각각의 단위셀(110)의 온도 측정시 측정 오류가 발생할 수 있다.Also, the first temperature sensor TS1 and the second temperature sensor TS2 may be installed alternately. Specifically, the first virtual line connecting the first temperature sensors TS1 installed in a line on each anode separator 121-1 and 121-2 and the first virtual line installed in a line on each cathode separator 122-1 and 122-2 The second virtual lines connecting the second temperature sensors TS2 may be spaced apart from each other by a predetermined interval without coincident or overlapping with each other. If the first virtual line and the second virtual line coincide or overlap each other, a measurement error may occur when measuring the temperature of each
또한 도 7을 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 제1 데이터 로거 단자(DLT1: data logger terminal 1) 및 제2 데이터 로거 단자(DLT2)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 제1 데이터 로거 단자(DLT1)와 제2 데이터 로거 단자(DLT2)를 통해 각각의 단위셀(110)의 전류, 전압 및 저항 등의 정보를 실시간으로 수집할 수 있다.Referring to FIG. 7 , the vertically aligned monopolar
제1 데이터 로거 단자(DLT1)는 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)를 관통하여 애노드 분리판(121-1, 121-2)마다 설치될 수 있다. 구체적으로, 제1 데이터 로거 단자(DLT1)는 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)의 측면들 중 길이가 짧은 측면을 수직으로 관통하여 캐소드 분리판(122-1, 122-2)과 교대로 설치된 애노드 분리판(121-1, 121-2)을 따라 애노드 분리판(121-1, 121-2)마다 일렬로 설치될 수 있다.The first data logger terminal DLT1 passes through the heads 121-1h and 121-2h of the one or more anode separators 121-1 and 121-2, and is connected to each of the anode separators 121-1 and 121-2. can be installed Specifically, the first data logger terminal DLT1 vertically penetrates the short side of the sides of the heads 121-1h and 121-2h of the one or more anode separators 121-1 and 121-2. Each of the anode separators 121-1 and 121-2 may be installed in a row along the anode separators 121-1 and 121-2 alternately installed with the cathode separators 122-1 and 122-2.
제2 데이터 로거 단자(DLT2)는 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)를 관통하여 캐소드 분리판(122-1, 122-2)마다 설치될 수 있다. 구체적으로, 제2 데이터 로거 단자(DLT2)는 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)의 측면들 중 길이가 짧은 측면을 수직으로 관통하여 애노드 분리판(121-1, 121-2)과 교대로 설치된 캐소드 분리판(122-1, 122-2)을 따라 캐소드 분리판(122-1, 122-2)마다 일렬로 설치될 수 있다.The second data logger terminal DLT2 passes through the heads 122-1h and 122-2h of the one or more cathode separators 122-1 and 122-2 and is connected to each of the cathode separators 122-1 and 122-2. can be installed Specifically, the second data logger terminal DLT2 vertically penetrates the short side of the sides of the heads 122-1h and 122-2h of the one or more cathode separators 122-1 and 122-2. Each of the cathode separators 122-1 and 122-2 may be installed in a line along the anode separators 121-1 and 121-2 and the cathode separators 122-1 and 122-2 alternately installed.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)의 물 공급, 산소 배출, 미반응물 배출 및 수소 배출 경로를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100) 중 일측 엔드플레이트(142)에 설치된 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1) 및 수소 배출구(EX2)를 나타낸 도면이다.8 is a view for explaining water supply, oxygen discharge, unreacted material discharge, and hydrogen discharge paths of the electric power vertical alignment type monopolar
도 8 및 도 9를 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 엔드플레이트(142)에 설치된 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1) 및 수소 배출구(EX2)를 포함할 수 있다. 여기서, 미반응물(unreacted water)이란 반응하지 않은 물을 의미한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 엔드플레이트(142) 대신에 엔드플레이트(141)에 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1) 및 수소 배출구(EX2)를 설치할 수도 있다. 다만, 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1) 및 수소 배출구(EX2) 중 일부를 엔드플레이트(142)에 설치하고, 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1) 및 수소 배출구(EX2) 중 나머지 일부를 엔드플레이트(141)에 설치하게 되면 수전해 효율이 떨어질 수 있으므로 바람직하지 않다.8 and 9, the power vertically aligned monopolar
또한, 상술한 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 PEMEL(polymer electrolyte membrane water electolyser), AKEL(alkaline water electrolyser), AEMEL(anion exchange membrane electrolyser) 또는 SOEL(solid oxide water electrolyser)에 적용될 수 있다. In addition, the above-described vertically aligned monopolar
이상에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.Preferred embodiments according to the present invention have been described with reference to the drawings in the above, but this is only exemplary, and those skilled in the art can understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. There will be. Therefore, the scope of protection of the present invention should be defined by the appended claims.
100: 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택
110: 단위셀 111: 분리막
112a: 애노드 촉매층 112c: 캐소드 촉매층
113a: 애노드 113c: 캐소드
121-1: 제1 애노드 분리판 121-1h: 제1 애노드 분리판 헤드
121-2: 제2 애노드 분리판 121-2h: 제2 애노드 분리판 헤드
122-1: 제1 캐소드 분리판 122-1h: 제1 캐소드 분리판 헤드
122-2: 제2 캐소드 분리판 122-2h: 제2 캐소드 분리판 헤드
141: 제1 엔드플레이트 142: 제2 엔드플레이트
150: 체결부재 IN: 물 공급구
EX1: 산소와 미반응물 배출구 EX2: 수소 배출구
HEXP: 열교환 통로 GH: 발열
CFD: 전류 흐름 방향 TS1, TS2: 온도센서
DLT1, DLT2: 데이터 로거 단자100: power vertically oriented monopolar water electrolysis stack
110: unit cell 111: separator
112a:
113a:
121-1: first anode separator 121-1h: first anode separator head
121-2: second anode separator 121-2h: second anode separator head
122-1: first cathode separator 122-1h: first cathode separator head
122-2: second cathode separator 122-2h: second cathode separator head
141: first end plate 142: second end plate
150: fastening member IN: water supply port
EX1: Oxygen and unreacted material outlet EX2: Hydrogen outlet
HEXP: heat exchange passage GH: exothermic
CFD: Current flow direction TS1, TS2: Temperature sensor
DLT1, DLT2: Data logger terminals
Claims (19)
상기 복수개의 애노드 분리판과 마주 보도록 배치된 복수개의 캐소드 분리판; 및
상기 복수개의 애노드 분리판과 상기 복수개의 캐소드 분리판 중 서로 이웃하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이마다 이들과 마주 보도록 배치된 단위셀을 포함하고,
상기 복수개의 애노드 분리판과 상기 복수개의 캐소드 분리판은 서로 하나씩 교대로 배치되고,
상기 단위셀은 분리막, 상기 분리막을 중심으로 일측에 차례로 배치된 애노드 촉매층과 애노드, 및 상기 분리막을 중심으로 타측에 차례로 배치된 캐소드 촉매층과 캐소드를 포함하고,
스택 조립후, 상기 애노드는 대응 애노드 분리판과 전기적으로 접촉하고, 상기 캐소드는 대응 캐소드 분리판과 전기적으로 접촉하도록 구성되고,
전류는 상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드에 동시에 인가되어 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드까지 동시에 일방향으로 흐르도록 구성되고,
상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드와 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드 사이의 전압은 일정한 기준값을 갖도록 구성되고,
상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드와 상기 복수개의 캐소드 분리판의 테일 사이, 및 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드와 상기 복수개의 애노드 분리판의 테일 사이에는 열교환 통로가 형성되도록 구성되고,
상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드와 상기 복수개의 캐소드 분리판의 테일은 모두 일측에 배치되고, 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드와 상기 복수개의 애노드 분리판의 테일은 모두 타측에 배치된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.a plurality of anode separators;
a plurality of cathode separators disposed to face the plurality of anode separators; and
Among the plurality of anode separators and the plurality of cathode separators, unit cells are disposed to face each other between adjacent anode separators and cathode separators,
The plurality of anode separators and the plurality of cathode separators are alternately disposed one by one,
The unit cell includes a separator, an anode catalyst layer and an anode sequentially disposed on one side around the separator, and a cathode catalyst layer and a cathode sequentially disposed on the other side around the separator,
After stack assembly, the anode is configured to be in electrical contact with a corresponding anode separator plate and the cathode is configured to be in electrical contact with a corresponding cathode separator plate;
Current is simultaneously applied to the heads of the plurality of anode separators and configured to flow in one direction simultaneously to the heads of the plurality of cathode separators,
The voltage between the heads of the plurality of anode separators and the heads of the plurality of cathode separators is configured to have a constant reference value,
A heat exchange passage is formed between the heads of the plurality of anode separators and the tails of the plurality of cathode separators, and between the heads of the plurality of cathode separators and the tails of the plurality of anode separators,
The heads of the plurality of anode separators and the tails of the plurality of cathode separators are all disposed on one side, and the heads of the plurality of cathode separators and the tails of the plurality of anode separators are disposed on the other side. type monopolar water electrolysis stack.
스택 조립후, 상기 복수개의 애노드 분리판은 헤드들이 서로 접촉하도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 1,
After assembly of the stack, the plurality of anode separators are configured such that heads are in contact with each other.
상기 복수개의 애노드 분리판은 하나 이상의 제1 애노드 분리판 및 하나의 제2 애노드 분리판을 포함하고, 상기 제1 애노드 분리판은 T자형 헤드를 포함하고, 상기 제2 애노드 분리판은 일측 돌출부를 갖는 헤드를 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 2,
The plurality of anode separators include one or more first anode separators and one second anode separator, wherein the first anode separator includes a T-shaped head, and the second anode separator has one side protrusion. A vertically oriented monopolar water electrolysis stack comprising a head having
상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체를 더 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 3,
A vertically aligned monopolar water electrolysis stack further comprising an anode current collector disposed to cover all of the heads of the plurality of anode separators.
스택 조립후, 상기 복수개의 캐소드 분리판은 헤드들이 서로 접촉하도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 1,
After assembling the stack, the plurality of cathode separators are configured such that heads are in contact with each other.
상기 복수개의 캐소드 분리판은 하나 이상의 제1 캐소드 분리판 및 하나의 제2 캐소드 분리판을 포함하고, 상기 캐소드 분리판은 T자형 헤드를 포함하고, 상기 제2 캐소드 분리판은 일측 돌출부를 갖는 헤드를 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 5,
The plurality of cathode separators include one or more first cathode separators and one or more second cathode separators, wherein the cathode separators include a T-shaped head, and the second cathode separator includes a head having a protrusion on one side. Power vertically aligned monopolar water electrolysis stack comprising a.
상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 6,
The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack further comprising a cathode current collector disposed to cover all of the heads of the plurality of cathode separators.
상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체 및 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함하고, 전류는 상기 애노드 집전체를 통해 상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드에 동시에 인가되어 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드를 동시에 통과한 후 상기 캐소드 집전체까지 일방향으로 흐르도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 1,
It further includes an anode current collector disposed to cover all heads of the plurality of anode separators and a cathode current collector disposed to cover all heads of the plurality of cathode separators, and current flows through the anode current collector. A vertical alignment type monopolar water electrolysis stack configured to be simultaneously applied to the heads of the two anode separators, pass through the heads of the plurality of cathode separators at the same time, and then flow in one direction to the cathode current collector.
상기 애노드 집전체와 상기 캐소드 집전체 사이의 전압은 일정한 기준값을 갖도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 11,
The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack configured so that the voltage between the anode current collector and the cathode current collector has a constant reference value.
상기 복수개의 애노드 분리판 및 상기 복수개의 캐소드 분리판을 포함하는 분리판 전체를 사이에 두고 일측 및 타측에 하나씩 배치된 한쌍의 엔드 플레이트를 더 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택. According to claim 1,
The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack further comprising a pair of end plates disposed on one side and the other side with the entire separator including the plurality of anode separators and the plurality of cathode separators interposed therebetween.
상기 한쌍의 엔드 플레이트로는 전류가 인가되지 않도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 14,
A vertically aligned monopolar water electrolysis stack configured so that no current is applied to the pair of end plates.
상기 한쌍의 엔드 플레이트를 결합하도록 구성된 하나 이상의 결합부재를 더 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 14,
The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack further comprising one or more coupling members configured to couple the pair of end plates.
상기 한쌍의 엔드 플레이트 중 어느 하나에 설치된 물 공급구, 산소와 미반응물 배출구 및 수소 배출구를 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 14,
A power vertically aligned monopolar water electrolysis stack comprising a water supply port, an oxygen and unreacted product outlet, and a hydrogen outlet installed on any one of the pair of end plates.
상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드와 테일 사이의 부분을 관통하여 애노드 분리판마다 설치된 제1 온도 센서, 및 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드와 테일 사이의 부분을 관통하여 캐소드 분리판마다 설치된 제2 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서는 서로 엇갈리게 설치된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 1,
A first temperature sensor installed for each anode separator passing through a portion between the heads and tails of the plurality of anode separators, and a second temperature sensor installed for each cathode separator passing through a portion between the heads and tails of the plurality of cathode separators. The power vertically aligned monopolar water electrolysis stack further includes a temperature sensor, wherein the first temperature sensor and the second temperature sensor are installed in a staggered manner.
상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드를 관통하여 애노드 분리판마다 설치된 제1 데이터 로거 단자 및 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드를 관통하여 캐소드 분리판마다 설치된 제2 데이터 로거 단자를 더 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.According to claim 1,
Power vertical alignment further comprising a first data logger terminal installed for each anode separator passing through the heads of the plurality of anode separators and a second data logger terminal installed for each cathode separator through the heads of the plurality of cathode separators type monopolar water electrolysis stack.
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KR1020220160728A KR102564532B1 (en) | 2022-11-25 | 2022-11-25 | Power vertically oriented monopolar water electrolysis stack |
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