KR102620799B1 - 전력 수직 배향형 수전해 스택 - Google Patents

전력 수직 배향형 수전해 스택 Download PDF

Info

Publication number
KR102620799B1
KR102620799B1 KR1020230021607A KR20230021607A KR102620799B1 KR 102620799 B1 KR102620799 B1 KR 102620799B1 KR 1020230021607 A KR1020230021607 A KR 1020230021607A KR 20230021607 A KR20230021607 A KR 20230021607A KR 102620799 B1 KR102620799 B1 KR 102620799B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
anode
cathode
separator
plate
separators
Prior art date
Application number
KR1020230021607A
Other languages
English (en)
Inventor
이덕원
박환진
Original Assignee
(주)넥슨스타
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)넥슨스타 filed Critical (주)넥슨스타
Priority to KR1020230021607A priority Critical patent/KR102620799B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102620799B1 publication Critical patent/KR102620799B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/77—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/02—Diaphragms; Spacing elements characterised by shape or form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C25B15/021—Process control or regulation of heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/63—Holders for electrodes; Positioning of the electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/65—Means for supplying current; Electrode connections; Electric inter-cell connections
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

전력 수직 배향형 수전해 스택이 개시된다. 개시된 전력 수직 배향형 수전해 스택은 한쌍의 엔드플레이트, 상기 각각의 엔드플레이트와 하나씩 밀착되게 배치된 한쌍의 절연판, 상기 한쌍의 엔드플레이트를 서로 결합시키도록 구성된 하나 이상의 결합부재, 및 상기 각각의 엔드플레이트에 설치되어 상기 한쌍의 엔드플레이트를 상기 한쌍의 절연판쪽으로 가압하도록 구성된 하나 이상의 스프링을 포함한다.

Description

전력 수직 배향형 수전해 스택{Power vertically oriented water electrolysis stack}
전력 수직 배향형 수전해 스택이 개시된다. 보다 상세하게는, 신규한 구조의 전력 수직 배향형 수전해 스택이 개시된다.
현대 수소 사회를 구현하기 위해 사용되고 있는 대부분의 수소는 석유화학 공정의 부산물로 나오는 부생수소　및 천연가스를 개질해 만드는 추출수소인 그레이 수소이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
본 발명의 일 구현예는 신규한 구조의 전력 수직 배향형 수전해 스택을 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
한쌍의 엔드플레이트;
상기 각각의 엔드플레이트와 하나씩 밀착되게 배치된 한쌍의 절연판;
상기 한쌍의 엔드플레이트를 서로 결합시키도록 구성된 하나 이상의 결합부재; 및
상기 각각의 엔드플레이트에 설치되어 상기 한쌍의 엔드플레이트를 상기 한쌍의 절연판쪽으로 가압하도록 구성된 하나 이상의 스프링을 포함하는 전력 수직 배향형 수전해 스택을 포함한다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 하나 이상의 애노드 분리판, 상기 하나 이상의 애노드 분리판과 서로 마주 보도록 배치된 하나 이상의 캐소드 분리판, 및 상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판 중 서로 이웃하는 애노드 분리판들 사이, 서로 이웃하는 캐소드 분리판들 사이, 또는 서로 이웃하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이마다 이들과 서로 마주 보도록 배치된 하나 이상의 단위셀을 더 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 분리판과 밀착되게 배치된 하나 이상의 도전성 금속판을 더 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 도전성 금속판은 각각 구리, 크롬, 철, 은, 니켈, 금, 아연 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 상기 한쌍의 엔드플레이트 사이로서 상기 한쌍의 절연판 사이에 복수개의 애노드 분리판, 복수개의 단위셀, 복수개의 캐소드 분리판 및 복수개의 도전성 금속판을 포함하고, 스택 조립후, 상기 복수개의 애노드 분리판은 테일들이 서로 전기적으로 접촉하도록 구성되고, 상기 복수개의 캐소드 분리판은 헤드들이 서로 전기적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 일단부에 상기 한쌍의 절연판 중 어느 하나의 절연판과 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판을 포함하고, 타단부에 상기 한쌍의 절연판 중 나머지 하나의 절연판과 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판을 포함하고, 중앙부에 복수개의 캐소드 분리판 및 복수개의 애노드 분리판을 이 순서대로 또는 역순으로 서로 하나씩 교대로 포함하고, 중앙부에 캐소드, 캐소드 촉매층, 분리막, 애노드 촉매층 및 애노드를 이 순서대로 포함하는 제1 단위셀; 또는 애노드, 애노드 촉매층, 분리막, 캐소드 촉매층 및 캐소드를 이 순서대로 포함하는 제2 단위셀을 복수개 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 일단부에 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판과 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제1-1 판구조체를 포함하고, 타단부에 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판과 도전성 금속판을 이 순서대로 포함하는 제1-2 판구조체 또는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판과 도전성 금속판을 이 순서대로 포함하는 제1-3 판구조체를 포함하고, 중앙부에 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판, 도전성 금속판 및 애노드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-1 판구조체; 및 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판, 도전성 금속판 및 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-2 판구조체를 교대로 포함하고, 중앙부에 캐소드, 캐소드 촉매층, 분리막, 애노드 촉매층 및 애노드를 이 순서대로 포함하는 제1 단위셀; 및 애노드, 애노드 촉매층, 분리막, 캐소드 촉매층 및 캐소드를 이 순서대로 포함하는 제2 단위셀을 교대로 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 일단부에 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판과 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제1-1 판구조체를 포함하고, 타단부에 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판과 도전성 금속판을 이 순서대로 포함하는 제1-3 판구조체를 포함하고, 중앙부에 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판, 도전성 금속판 및 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-3 판구조체를 복수개 포함하고, 중앙부에 캐소드, 캐소드 촉매층, 분리막, 애노드 촉매층 및 애노드를 이 순서대로 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 일단부에 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판과 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제1-1 판구조체를 포함하고, 타단부에 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판과 도전성 금속판을 이 순서대로 포함하는 제1-2 판구조체 또는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판과 도전성 금속판을 이 순서대로 포함하는 제1-3 판구조체를 포함하고, 중앙부에 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판, 도전성 금속판 및 애노드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-1 판구조체를 포함하고, 일단부와 중앙부 사이에 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판, 도전성 금속판 및 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-3 판구조체를 복수개 포함하고, 중앙부와 타단부 사이에 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판, 도전성 금속판 및 애노드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-4 판구조체를 복수개 포함하고, 일단부와 중앙부 사이에 캐소드, 캐소드 촉매층, 분리막, 애노드 촉매층 및 애노드를 이 순서대로 포함하는 제1 단위셀을 복수개 포함하고, 중앙부와 타단부 사이에 애노드, 애노드 촉매층, 분리막, 캐소드 촉매층 및 캐소드를 이 순서대로 포함하는 제2 단위셀을 복수개 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은, 스택 조립후, 상기 애노드는 대응 애노드 분리판과 전기적으로 접촉하고, 상기 캐소드는 대응 캐소드 분리판과 전기적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 상기 복수개의 애노드 분리판의 테일들을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체 및 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 전류가 상기 복수개의 애노드 분리판의 테일에 동시에 인가되어 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드까지 동시에 흐르도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드와 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드 사이의 전압, 또는 상기 애노드 집전체와 상기 캐소드 집전체 사이의 전압은 일정한 기준값을 갖도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 상기 한쌍의 엔드플레이트로는 전류가 인가되지 않도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 수전해 스택은 상기 한쌍의 엔드플레이트 중 어느 하나에 설치된 물 공급구, 산소와 미반응물 배출구, 수소 배출구 및 수소 벤트구를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택은 하기와 같은 이점을 갖는다:
(1) 서로 인접한 두개의 분리판 사이에 도전성 금속판을 적용함으로써 소요 에너지 부하에 맞게 스택 구조를 모노폴라/바이폴라 하이브리드 구조로 쉽게 변형시켜 제작할 수 있으며, 전압과 전류를 안정적으로 유지할 수 있는 구조로 스택을 구성함으로써 대용량 수전해 시스템에 적합하다.
(2) 상기 도전성 금속판은 전력 수직 배향형 수전해 스택의 운전온도가 상승함에 따라 열팽창됨으로써 그 팽창력에 의해 스택 기밀화에 도움을 줄 수 있다. 즉, 상기 도전성 금속판은 절연판과 유사한 역할인 제2의 가스켓 역할을 수행할 수 있다.
(3) 전류의 방향이 수직 배향형으로서, 모노폴라 스택, 바이폴라 스택, 또는 부분적으로는 바이폴라 스택이고 전체적으로는 모노폴라 스택인 하이브리드 스택으로 전류가 수직방향으로 공급될 수 있다.
(4) 엔드플레이트를 통한 전류 공급이 아닌, 분리판의 헤드 부분에 직접 전류를 인가하여 전류 분배가 원활하게 이루어질 수 있다.
(5) 도전성 금속판에 데이터라인을 연결하여 전류, 전압, 저항 등의 정보를 실시간으로 수집할 수 있다.
(6) 전체 스택 중 특정 부분에 문제가 발생할 경우 즉각적인 확인이 가능하며, 단위셀을 개별적으로 쉽게 교체할 수 있다.
(7) 다양한 종류의 수전해 스택(PEM, AKEL, AEMEL, SOEL)에 범용적으로 적용될 수 있다.
(8) 운전 중 발생하는 열에 대한 배출에 유리하고, 배출된 열을 재활용하기에 유리하다.
(9) 수전해 시스템의 운전 지역이 고온 환경일 경우, 스택에서 발생하는 열의 배출은 필수이고, 이에 대한 장점을 가진다.
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택이 조립된 후의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 구성 중 한쌍의 엔드플레이트의 일단부 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택이 조립되기 전의 구성으로서 한쌍의 절연판, 한쌍의 엔드플레이트 및 한쌍의 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택에 구비되는 제1 단위셀의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4b는 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택에 구비되는 제2 단위셀의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택이 조립되기 전의 구성으로서 한쌍의 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택의 전류 흐름 방향을 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택의 물 공급, 산소 배출, 미반응물 배출, 수소 배출 및 수소 벤트 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택 중 일단부 엔드플레이트에 설치된 물 공급구, 산소와 미반응물 배출구, 수소 배출구 및 수소 벤트구를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제2 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택이 조립된 후의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제3 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택이 조립되기 전의 구성으로서 한쌍의 절연판, 한쌍의 엔드플레이트 및 한쌍의 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 제4 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택이 조립되기 전의 구성으로서 한쌍의 절연판, 한쌍의 엔드플레이트 및 한쌍의 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택을 상세히 설명한다.
본 명세서에서, "부재의 테일(tale)"이란 전력 수직 배향형 수전해 스택의 (+) 극성쪽에 위치한 당해 부재의 단부를 의미하고, "부재의 헤드(head)"란 전력 수직 배향형 수전해 스택의 (-) 극성쪽에 위치한 당해 부재의 단부를 의미한다.
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)이 조립된 후의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 구성 중 한쌍의 엔드플레이트(141, 142)의 일단부 평면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 한쌍의 엔드플레이트(141, 142), 한쌍의 절연판(124), 하나 이상의 결합부재(150) 및 하나 이상의 스프링(SP1, SP2)을 포함한다.
한쌍의 엔드플레이트(141, 142)는 하나 이상의 애노드 분리판(121) 및 하나 이상의 캐소드 분리판(122)을 포함하는 분리판 전체를 사이에 두고 일단부 및 타단부에 하나씩 배치될 수 있다.
또한, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 한쌍의 엔드플레이트(141, 142)로는 전류가 인가되지 않도록 구성될 수 있다.
한쌍의 절연판(124)은 각각의 엔드플레이트(141, 142)와 후술하는 대응 도전성 금속판(123) 사이에 하나씩 배치되어 이들을 서로 전기적으로 절연시키는 역할과 함께 가스켓 역할을 수행한다.
하나 이상의 결합부재(150)는 한쌍의 엔드플레이트(141, 142)를 결합시키도록 구성될 수 있다. 이러한 하나 이상의 결합부재(150)는 볼트-너트 구조를 가질 수 있다.
하나 이상의 스프링(SP1, SP2)은 각각의 엔드플레이트(141, 142)에 설치되어 한쌍의 엔드플레이트(141, 142)를 한쌍의 절연판(124)쪽(즉, 스택 내부쪽)으로 가압하도록 구성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 한쌍의 엔드플레이트(141, 142) 사이에 도시된 화살표들은 장시간 사용시 스택 내부에서 양측 외부로 스택이 벌어지려는 힘의 방향을 나타낸 것이고, 한쌍의 엔드플레이트(141, 142)에 도시된 화살표들은 하나 이상의 스프링(SP1, SP2)이 스택을 양측 외부에서 내부로 가압하는 힘의 방향을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 하나 이상의 스프링(SP1, SP2)은 각각의 엔드플레이트(141, 142)에 설치되되, 각각의 엔드플레이트(141, 142)를 제외한 나머지 부재에 대응되는 부분인 스택부(STP)에 하나 이상의 홈(미도시)을 형성한 후, 상기 홈에 하나씩 설치될 수 있다. 도 2에는 1개의 대형 스프링(SP1, SP2) 및 그 주변에 4개의 소형 스프링(SP1, SP2)이 방사상으로 설치되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 한쌍의 엔드플레이트(141, 142)를 대응 절연판(124)쪽으로 균일하게 가압할 수 있는 한 다른 다양한 형태 및 개수의 스프링이 설치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)이 조립되기 전의 구성으로서 한쌍의 절연판(124), 한쌍의 엔드플레이트(141, 142) 및 한쌍의 집전체(미도시)가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4a는 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)에 구비되는 제1 단위셀(100)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 4b는 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)에 구비되는 제2 단위셀(100')의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)이 조립되기 전의 구성으로서 한쌍의 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1, 도 3 및 도 5를 참조하면, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 하나 이상의 애노드 분리판(121), 하나 이상의 캐소드 분리판(122) 및 하나 이상의 단위셀(110, 110')을 더 포함할 수 있다.
하나 이상의 캐소드 분리판(122)은 하나 이상의 애노드 분리판(121)과 서로 마주 보도록 배치될 수 있다.
하나 이상의 단위셀(110, 110')은 하나 이상의 애노드 분리판(121)과 하나 이상의 캐소드 분리판(122) 중 서로 이웃하는 애노드 분리판들(121) 사이, 서로 이웃하는 캐소드 분리판(122)들 사이, 또는 서로 이웃하는 애노드 분리판(121)과 캐소드 분리판(122) 사이마다 이들과 서로 마주 보도록 배치될 수 있다.
다시 도 1, 도 3 및 도 5를 참조하면, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 하나 이상의 도전성 금속판(123)을 더 포함할 수 있다.
하나 이상의 도전성 금속판(123)은 하나 이상의 애노드 분리판(121) 및 하나 이상의 캐소드 분리판(122)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 분리판과 밀착되게 배치될 수 있다.
또한, 하나 이상의 도전성 금속판(123)은 하나 이상의 애노드 분리판(121) 및 하나 이상의 캐소드 분리판(122) 보다 도전성이 우수한 것일 수 있다.
또한, 하나 이상의 도전성 금속판(123)은 각각 구리, 크롬, 철, 은, 니켈, 금, 아연 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
예를 들어, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은, 한쌍의 엔드플레이트(141, 142) 사이로서 한쌍의 절연판(124) 사이에, 복수개의 애노드 분리판(121), 복수개의 단위셀(110, 110'), 복수개의 캐소드 분리판(122) 및 복수개의 도전성 금속판(123)을 포함할 수 있다.
이 경우, 스택 조립후, 복수개의 애노드 분리판(121)은 테일들이 서로 전기적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
복수개의 애노드 분리판(121)은 하나 이상의 제1 애노드 분리판(미도시) 및 하나의 제2 애노드 분리판(미도시)을 포함할 수 있다.
상기 제1 애노드 분리판은 T자형 테일을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 애노드 분리판은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 T자형일 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 상기 제1 애노드 분리판은 다른 다양한 형상의 헤드를 포함할 수 있다.
상기 제2 애노드 분리판은 일단부 돌출부를 갖는 테일을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 애노드 분리판은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 180° 뒤집힌 ㄱ자형 또는 다른 다양한 형상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제2 애노드 분리판은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 변형된 일자형으로서 그 일단부가 인접 제1 애노드 분리판의 T자형 또는 다른 다양한 형상의 테일쪽으로 90°구부러진 형태일 수 있다.
복수개의 단위셀(110, 110')은 제1 단위셀(110) 및 제2 단위셀(110')을 포함할 수 있다.
도 4a를 참조하면, 제1 단위셀(110)은 캐소드(113c), 캐소드 촉매층(112c), 분리막(111), 애노드 촉매층(112a) 및 애노드(113a)를 이 순서대로 포함할 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제2 단위셀(110')은 애노드(113a), 애노드 촉매층(112a), 분리막(111), 캐소드 촉매층(112c) 및 캐소드(113c)를 이 순서대로 포함할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 분리막(111)은 단위셀(110)의 중심에 배치될 수 있다.
애노드 촉매층(112a)은 분리막(111)의 일단부에 배치될 수 있다.
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, 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.
[반응식 1]
2H2O → 4H+ + 4e- + O2
애노드(113a)는 애노드 촉매층(112a)의 일단부에 배치될 수 있다.
캐소드 촉매층(112c)은 분리막(111)의 타단부에 배치될 수 있다.
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.
[반응식 2]
4H+ + 4e- → 2H2
캐소드(113c)는 캐소드 촉매층(112c)의 타단부에 배치될 수 있다.
단위셀(110, 110')에서 일어나는 전체 반응(총괄 반응)은 하기 반응식 3과 같다.
[반응식 3]
2H2O → O2(애노드 촉매층(112a)) + 2H2(캐소드 촉매층(112c))
또한, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은, 스택 조립후, 애노드(113a)는 대응 애노드 분리판(121)과 전기적으로 접촉하고, 캐소드(113c)는 대응 캐소드 분리판(122)과 전기적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
또한 이 경우, 스택 조립후, 복수개의 캐소드 분리판(122)은 헤드들이 서로 전기적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
복수개의 캐소드 분리판(122)은 하나 이상의 제1 캐소드 분리판(미도시) 및 하나의 제2 캐소드 분리판(미도시)을 포함할 수 있다.
상기 제1 캐소드 분리판은 T자형 헤드를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 캐소드 분리판은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 T자형일 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 상기 제1 캐소드 분리판은 다른 다양한 형상의 헤드를 포함할 수 있다.
상기 제2 캐소드 분리판은 일단부 돌출부를 갖는 헤드를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 캐소드 분리판은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 180° 뒤집힌 ㄴ자형 또는 다른 다양한 형상일 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제2 캐소드 분리판은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 변형된 일자형으로서 그 일단부가 인접 제1 캐소드 분리판의 T자형 또는 다른 다양한 형상의 헤드쪽으로 90°구부러진 형태일 수 있다.
또한, 비록 도 1, 도 3 및 도 5에는 도시되어 있지 않지만, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 제1 온도 센서 및 제2 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 온도 센서는 하나 이상의 애노드 분리판(121)의 헤드와 테일 사이의 부분을 관통하여 애노드 분리판(121)마다 설치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 온도 센서는 하나 이상의 애노드 분리판(121)의 헤드와 테일 사이의 측면들 중 폭이 좁은 측면을 수직으로 관통하여 애노드 분리판(121)마다 설치될 수 있다.
상기 제2 온도 센서는 하나 이상의 캐소드 분리판(122)의 헤드와 테일 사이의 부분을 관통하여 캐소드 분리판(122)마다 설치될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 온도 센서는 하나 이상의 캐소드 분리판(122)의 헤드와 테일 사이의 측면들 중 폭이 좁은 측면을 수직으로 관통하여 캐소드 분리판(122)마다 설치될 수 있다.
따라서, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서를 통해 각각의 단위셀(110, 110')의 온도를 실시간으로 수집할 수 있다.
또한, 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서는 서로 엇갈리게 설치될 수 있다. 만일, 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서가 서로 엇갈리지 않고 나란히 설치되게 되면 각각의 단위셀(110, 110')의 온도 측정시 측정 오류가 발생할 수 있다.
또한, 비록 도 1, 도 3 및 도 5에는 도시되어 있지 않지만, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 제1 데이터 로거 단자(data logger terminal 1) 및 제2 데이터 로거 단자를 더 포함할 수 있다. 따라서, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 상기 제1 데이터 로거 단자와 상기 제2 데이터 로거 단자를 통해 각각의 단위셀(110, 110')의 전류, 전압 및 저항 등의 정보를 실시간으로 수집할 수 있다.
상기 제1 데이터 로거 단자는 하나 이상의 도전성 금속판(123)의 헤드에 설치될 수 있다.
상기 제2 데이터 로거 단자는 하나 이상의 도전성 금속판(123)의 테일에 설치될 수 있다.
또한, 각각의 도전성 금속판(123)에는 상기 제1 데이터 로거 단자 및 상기 제2 데이터 로거 단자 중 어느 하나의 데이터 로거 단자만이 설치될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)의 전류 흐름 방향(CFD: current flow dirction)을 나타낸 단면도이다.
도 6을 참조하면, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 전류가 하나 이상의 애노드 분리판(121)의 테일에 동시에 인가되어 하나 이상의 캐소드 분리판(122)의 헤드까지 동시에 흐르도록 구성될 수 있다. 또한, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 전류가 애노드 집전체(미도시)를 통해 하나 이상의 애노드 분리판(121)의 테일에 동시에 인가되어 하나 이상의 캐소드 분리판(122)의 헤드를 동시에 통과한 후 캐소드 집전체(미도시)까지 흐르도록 구성될 수도 있다. 따라서, 하나 이상의 애노드 분리판(121)의 테일 및 이와 밀착된 하나 이상의 도전성 금속판(123)의 테일은 모두 (+) 극성을 나타내고, 하나 이상의 캐소드 분리판(122)의 헤드 및 이와 밀착된 하나 이상의 도전성 금속판(123)의 헤드는 모두 (-) 극성을 나타내게 된다. 보다 구체적으로, 전류는 하나 이상의 애노드 분리판(121)의 테일 및 이와 밀착된 하나 이상의 도전성 금속판(123)의 테일로 동시에 인가되어, 일부는 하나 이상의 도전성 금속판(123)의 헤드로 수직방향으로 흐르거나, 다른 일부는 각각의 도전성 금속판(123)과 밀착된 애노드 분리판(121)으로 흐르거나, 및/또는 다른 일부는 각각의 애노드 분리판(121)과 밀착된 캐소드 분리판(122)으로 흐르고, 최종적으로는 하나 이상의 도전성 금속판(123)의 헤드, 이와 밀착된 도전성 금속판(123)의 헤드 및 이와 밀착된 하나 이상의 캐소드 분리판(122)의 헤드로 흘러 전류 분배가 원활하게 이루어질 수 있다. 여기서, 각각의 도전성 금속판(123)은 각각의 애노드 분리판(121) 및 각각의 캐소드 분리판(122)에 비해 도전성이 우수하기 때문에 각각의 애노드 분리판(121), 각각의 단위셀(110, 110') 및 각각의 캐소드 분리판(122)을 통과하는 전류의 속도를 가속화시켜, 효율적인 전류 분배를 가능하게 하고 수전해 반응성을 향상시켜주는 역할을 수행한다. 또한, 각각의 도전성 금속판(123)은 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)의 운전온도가 상승함에 따라 열팽창됨으로써 그 팽창력에 의해 스택 기밀화에 도움을 줄 수 있다. 즉, 각각의 도전성 금속판(123)은 각각의 절연판(124)과 유사한 역할인 제2의 가스켓 역할을 수행할 수 있다.
또한, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 하나 이상의 애노드 분리판(121)의 테일과 하나 이상의 캐소드 분리판(122)의 헤드 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, 110'))의 개수가 증가하더라도 전압이 증가하지 않거나 전압 증가가 제한될 수 있다. 즉, 스택 간의 전압차를 최소화하여 전해질의 전기전도도에 의한 전류 효율의 감소를 줄일 수 있다.
또한, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 하나 이상의 애노드 분리판(121)의 테일과 하나 이상의 캐소드 분리판(122)의 테일 사이, 및 하나 이상의 캐소드 분리판(122)의 헤드와 하나 이상의 애노드 분리판(121)의 헤드 사이에 열교환 통로가 형성되도록 구성될 수 있다. 상기 열교환 통로를 통해 냉매(예를 들어, 냉각수)를 순환시킴으로써 운전 중 발생하는 열을 외부로 배출시키기에 유리하고, 배출된 열을 재활용하기에도 유리하며, 수전해 시스템의 운전지역이 고온환경일 경우, 스택에서 발생하는 열의 배출은 필수이므로 이에 대한 장점을 갖는다.
도 7은 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)의 물 공급, 산소 배출, 미반응물 배출, 수소 배출 및 수소 벤트 경로를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(100) 중 일단부 엔드플레이트(142)에 설치된 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1), 수소 배출구(EX2) 및 수소 벤트구(EX3)를 포함할 수 있다. 여기서, 미반응물(unreacted water)이란 반응하지 않은 물(water)을 의미한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 엔드플레이트(142) 대신에 엔드플레이트(141)에 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1), 수소 배출구(EX2) 및 수소 벤트구(EX3)를 설치할 수도 있다. 다만, 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1), 수소 배출구(EX2) 및 수소 벤트구(EX3) 중 일부를 엔드플레이트(142)에 설치하고, 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1), 수소 배출구(EX2) 및 수소 벤트구(EX3) 중 나머지 일부를 엔드플레이트(141)에 설치하게 되면 수전해 효율이 떨어질 수 있으므로 바람직하지 않다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 수소 벤트구(EX3)는 미운전시 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)내에 잔류하는 수소를 외부로 배출시키기 위해 설치된 것일 수 있다.
또한, 상술한 전력 수직 배향형 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.
다시 도 1, 도 3 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 모노폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택일 수 있다.
모노폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 일단부(예를 들어, 좌측 절연판(124)측)에 제1-1 판구조체를 포함하고, 상기 제1-1 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판(123)과 캐소드 분리판(122)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 모노폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 타단부(예를 들어, 우측 절연판(124)측)에 제1-2 판구조체 또는 제1-3 판구조체를 포함하고, 상기 제1-2 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판(122)과 도전성 금속판(123)을 이 순서대로 포함하고, 상기 제1-3 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판(121)과 도전성 금속판(123)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 모노폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 중앙부(예를 들어, 좌측과 우측 사이)에 제2-1 판구조체 및 제2-2 판구조체를 교대로 포함하고, 상기 제2-1 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판(121), 도전성 금속판(123) 및 애노드 분리판(121)을 이 순서대로 포함하고, 상기 제2-2 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판(122), 도전성 금속판(123) 및 캐소드 분리판(122)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 모노폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 중앙부(예를 들어, 좌측과 우측 사이)에 제1 단위셀(110) 및 제2 단위셀(110')을 교대로 포함할 수 있다.
비록 도 1, 도 3 및 도 5에는 도시되어 있지 않지만, 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)은 복수개의 애노드 분리판(121)의 테일들을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체, 및 복수개의 캐소드 분리판(122)의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(200)이 조립되기 전의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명의 제2 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(200)은 범용 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택일 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(200)은 한쌍의 엔드플레이트(241, 242), 한쌍의 도전성 금속판(223), 한쌍의 절연판(224), 하나 이상의 결합부재(250) 및 하나 이상의 스프링(SP1, SP2)을 포함한다.
도 9에 도시된 한쌍의 엔드플레이트(241, 242), 한쌍의 도전성 금속판(223), 한쌍의 절연판(224), 하나 이상의 결합부재(250) 및 하나 이상의 스프링(SP1, SP2)은 도 1에 도시된 한쌍의 엔드플레이트(141, 142), 한쌍의 도전성 금속판(123), 한쌍의 절연판(124), 하나 이상의 결합부재(150) 및 하나 이상의 스프링(SP1, SP2)과 구성 및 작용효과가 동일한 것이므로, 여기에서는 이들에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9를 참조하면, 범용 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(200)의 장시간 사용시 스택 내부에서 양측 외부로 스택이 벌어지려는 힘이 작용하게 되는데, 한쌍의 엔드플레이트(241, 242)에 도시된 화살표들은 하나 이상의 스프링(SP1, SP2)이 스택을 양측 외부에서 내부로 가압하는 힘의 방향을 나타낸 것이다.
다시 도 9를 참조하면, 범용 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(200)은 일단부(예를 들어, 좌측 절연판(124)측)에 한쌍의 절연판(224) 중 어느 하나의 절연판(224)과 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판(223)을 포함할 수 있다.
또한, 범용 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(200)은 타단부(예를 들어, 우측 절연판(124)측)에 한쌍의 절연판(224) 중 나머지 하나의 절연판(224)과 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판(223)을 포함할 수 있다.
또한, 범용 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(200)은 중앙부(예를 들어, 좌측과 우측 사이)에 복수개의 캐소드 분리판(222) 및 복수개의 애노드 분리판(221)을 이 순서대로 또는 역순으로 서로 하나씩 교대로 포함할 수 있다.
또한, 범용 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(200)은 중앙부(예를 들어, 좌측과 우측 사이)에 캐소드, 캐소드 촉매층, 분리막, 애노드 촉매층 및 애노드를 이 순서대로 포함하는 제1 단위셀(미도시, 도 4a에 도시된 제1 단위셀(110)과 동일함); 또는 애노드, 애노드 촉매층, 분리막, 캐소드 촉매층 및 캐소드를 이 순서대로 포함하는 제2 단위셀(미도시, 도 4b에 도시된 제2 단위셀(110')과 동일함)을 복수개 포함할 수 있다.
또한, 범용 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(200)은 전류 흐름 방향이 도 6에 도시된 모노폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)의 전류 흐름 방향(CFD)과 대동소이한 것일 수 있다.
도 10은 본 발명의 제3 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)이 조립되기 전의 구성으로서 절연판, 엔드플레이트 및 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명의 제3 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)은 바이폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택일 수 있다.
도 10을 참조하면, 바이폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)은 일단부(예를 들어, 좌측 절연판측)에 제1-1 판구조체를 포함하고, 상기 제1-1 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판(323)과 캐소드 분리판(322)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 바이폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)은 타단부(예를 들어, 우측 절연판측)에 제1-3 판구조체를 포함하고, 상기 제1-3 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판(321)과 도전성 금속판(323)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 바이폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)은 중앙부(예를 들어, 좌측과 우측 사이)에 제2-3 판구조체를 복수개 포함하고, 상기 제2-3 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판(321), 도전성 금속판(323) 및 캐소드 분리판(322)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 바이폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)은 중앙부(예를 들어, 좌측과 우측 사이)에 제1 단위셀(310)을 복수개 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 애노드 분리판(321), 제1 단위셀(310), 캐소드 분리판(322) 및 도전성 금속판(323)은 도 3 및 도 5에 도시된 애노드 분리판(121), 제1 단위셀(110), 캐소드 분리판(122) 및 도전성 금속판(123)과 각각 구성 및 작용효과가 동일한 것이므로, 여기에서는 이들에 대한 자세한 설명을 생략하기로 한다.
비록 도 10에는 도시되어 있지 않지만, 바이폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)은 복수개의 애노드 분리판(321)의 테일들 및 복수개의 도전성 금속판(323)의 테일들을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체, 및 복수개의 캐소드 분리판(322)의 헤드들 및 복수개의 도전성 금속판(323)의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함할 수 있다.
또한, 비록 도 10에는 도시되어 있지 않지만, 바이폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)은 한쌍의 엔드플레이트 및 한쌍의 절연판을 더 포함할 수 있다.
또한, 바이폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)은 전류 흐름 방향이 도 6에 도시된 모노폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)의 전류 흐름 방향(CFD)과 대동소이한 것일 수 있다.
도 11은 본 발명의 제4 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)이 조립되기 전의 구성으로서 절연판, 엔드플레이트 및 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 본 발명의 제4 구현예에 따른 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 부분적으로는 바이폴라 스택(BPS1, BPS2)이고, 전체적으로는 모노폴라 스택(MPS)인 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택일 수 있다.
도 11을 참조하면, 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 일단부(예를 들어, 좌측)에 제1-1 판구조체를 포함하고, 상기 제1-1 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판(423)과 캐소드 분리판(422)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 타단부(예를 들어, 우측)에 제1-2 판구조체 또는 제1-3 판구조체를 포함하고, 상기 제1-2 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판(422)과 도전성 금속판(423)을 이 순서대로 포함하고, 상기 제1-3 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판(421)과 도전성 금속판(423)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 중앙부에 제2-1 판구조체를 포함하고, 상기 제2-1 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판(421), 도전성 금속판(423) 및 애노드 분리판(421)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 일단부와 중앙부 사이(예를 들어, 좌측 단부와 중앙부 사이)에 제2-3 판구조체를 복수개 포함하고, 상기 제2-3 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판(421), 도전성 금속판(423) 및 캐소드 분리판(422)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 중앙부와 타단부 사이(예를 들어, 중앙부와 우측 단부 사이)에 제2-4 판구조체를 복수개 포함하고, 상기 제2-4 판구조체는 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판(422), 도전성 금속판(423) 및 애노드 분리판(422)을 이 순서대로 포함할 수 있다.
또한, 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 일단부와 중앙부 사이(예를 들어, 좌측 단부와 중앙부 사이)에 제1 단위셀(410)을 복수개 포함할 수 있다.
또한, 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 중앙부와 타단부 사이(예를 들어, 중앙부와 우측 단부 사이)에 제2 단위셀(410')을 복수개 포함할 수 있다.
도 11에 도시된 애노드 분리판(421), 제1 단위셀(410), 제2 단위셀(410'), 캐소드 분리판(422) 및 도전성 금속판(423)은 도 3 및 도 5에 도시된 애노드 분리판(121), 제1 단위셀(110), 제2 단위셀(110'), 캐소드 분리판(122) 및 도전성 금속판(123)과 각각 구성 및 작용효과가 동일한 것이므로, 여기에서는 이들에 대한 자세한 설명을 생략하기로 한다.
비록 도 11에는 도시되어 있지 않지만, 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 복수개의 애노드 분리판(421)의 테일들 및 복수개의 도전성 금속판(423)의 테일들을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체, 및 복수개의 캐소드 분리판(422)의 헤드들 및 복수개의 도전성 금속판(423)의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함할 수 있다.
또한, 비록 도 11에는 도시되어 있지 않지만, 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(300)은 한쌍의 엔드플레이트 및 한쌍의 절연판을 더 포함할 수 있다.
또한, 하이브리드 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 전류 흐름 방향이 도 6에 도시된 모노폴라 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(100)의 전류 흐름 방향(CFD)과 대동소이한 것일 수 있다.
다시 도 11을 참조하면, 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 6V의 바이폴라 스택(BPS1) 및 6V의 바이폴라 스택(BPS2)을 포함하는 스택으로서, 전체적으로는 6V의 모노폴라 스택(MPS)일 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 하이브리 타입의 전력 수직 배향형 수전해 스택(400)은 스택 수의 증가에 따른 전류 및 전압의 증가를 일정한 수준으로 제한되면서도 수전해 효율을 향상시킬 수 있는 이점을 갖는다.
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.
100, 200, 300, 400: 전력 수직 배향형 수전해 스택
110, 110': 제1 단위셀 111: 분리막
112a: 애노드 촉매층 112c: 캐소드 촉매층
113a: 애노드 113c: 캐소드
121, 221, 321: 애노드 분리판 122, 222, 322: 캐소드 분리판
123, 223, 323: (추가) 도전성 금속판 124: 절연판
141, 142: 엔드플레이트 150: 체결부재
SP1, SP2: 스프링 STP: 스택부
CFD: 전류 흐름 방향 IN: 물 공급구
EX1: 산소와 미반응물 배출구 EX2: 수소 배출구
EX3: 수소 벤트구 MPS: 모노폴라 스택
BPS1, BPS2: 바이폴라 스택

Claims (15)

  1. 한쌍의 엔드플레이트;
    상기 각각의 엔드플레이트와 하나씩 밀착되게 배치된 한쌍의 절연판;
    상기 한쌍의 엔드플레이트를 서로 결합시키도록 구성된 하나 이상의 결합부재; 및
    상기 각각의 엔드플레이트에 설치되어 상기 한쌍의 엔드플레이트를 상기 한쌍의 절연판쪽으로 가압하도록 구성된 하나 이상의 스프링을 포함하고,
    복수개의 애노드 분리판, 상기 복수개의 애노드 분리판과 서로 마주 보도록 배치된 복수개의 캐소드 분리판, 및 상기 복수개의 애노드 분리판과 상기 복수개의 캐소드 분리판 중 서로 이웃하는 애노드 분리판들 사이, 서로 이웃하는 캐소드 분리판들 사이, 또는 서로 이웃하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이마다 이들과 서로 마주 보도록 배치된 복수개의 단위셀을 더 포함하고,
    스택 조립후, 상기 복수개의 애노드 분리판은 테일들이 서로 전기적으로 접촉하도록 구성되고, 상기 복수개의 캐소드 분리판은 헤드들이 서로 전기적으로 접촉하도록 구성되고,
    상기 복수개의 애노드 분리판의 테일들을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체 및 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함하고,
    전류는 상기 복수개의 애노드 분리판의 테일에 동시에 인가되어 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드까지 동시에 흐르도록 구성되고,
    상기 복수개의 애노드 분리판의 테일과 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드 사이의 전압, 또는 상기 애노드 집전체와 상기 캐소드 집전체 사이의 전압은 일정한 기준값을 갖도록 구성되고,
    상기 복수개의 애노드 분리판의 테일과 상기 복수개의 캐소드 분리판의 테일 사이, 및 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드와 상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드 사이에는 열교환 통로가 형성되도록 구성된 전력 수직 배향형 수전해 스택.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 애노드 분리판 및 상기 복수개의 캐소드 분리판으로 이루어진 군으로부터 선택된 복수개의 분리판과 밀착되게 배치된 복수개의 도전성 금속판을 더 포함하는 전력 수직 배향형 수전해 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수개의 도전성 금속판은 각각 구리, 크롬, 철, 은, 니켈, 금, 아연 또는 이들의 조합을 포함하는 전력 수직 배향형 수전해 스택.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 한쌍의 엔드플레이트 사이로서 상기 한쌍의 절연판 사이에 복수개의 애노드 분리판, 복수개의 단위셀, 복수개의 캐소드 분리판 및 복수개의 도전성 금속판을 포함하는 전력 수직 배향형 수전해 스택.
  6. 제5항에 있어서,
    일단부에 상기 한쌍의 절연판 중 어느 하나의 절연판과 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판을 포함하고,
    타단부에 상기 한쌍의 절연판 중 나머지 하나의 절연판과 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판을 포함하고,
    중앙부에 복수개의 캐소드 분리판 및 복수개의 애노드 분리판을 이 순서대로 또는 역순으로 서로 하나씩 교대로 포함하고,
    중앙부에 캐소드, 캐소드 촉매층, 분리막, 애노드 촉매층 및 애노드를 이 순서대로 포함하는 제1 단위셀; 또는 애노드, 애노드 촉매층, 분리막, 캐소드 촉매층 및 캐소드를 이 순서대로 포함하는 제2 단위셀을 복수개 포함하는 전력 수직 배향형 수전해 스택.
  7. 제5항에 있어서,
    일단부에 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판과 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제1-1 판구조체를 포함하고,
    타단부에 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판과 도전성 금속판을 이 순서대로 포함하는 제1-2 판구조체 또는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판과 도전성 금속판을 이 순서대로 포함하는 제1-3 판구조체를 포함하고,
    중앙부에 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판, 도전성 금속판 및 애노드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-1 판구조체; 및 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판, 도전성 금속판 및 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-2 판구조체를 교대로 포함하고,
    중앙부에 캐소드, 캐소드 촉매층, 분리막, 애노드 촉매층 및 애노드를 이 순서대로 포함하는 제1 단위셀; 및 애노드, 애노드 촉매층, 분리막, 캐소드 촉매층 및 캐소드를 이 순서대로 포함하는 제2 단위셀을 교대로 포함하는 전력 수직 배향형 수전해 스택.
  8. 제5항에 있어서,
    일단부에 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판과 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제1-1 판구조체를 포함하고,
    타단부에 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판과 도전성 금속판을 이 순서대로 포함하는 제1-3 판구조체를 포함하고,
    중앙부에 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판, 도전성 금속판 및 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-3 판구조체를 복수개 포함하고,
    중앙부에 캐소드, 캐소드 촉매층, 분리막, 애노드 촉매층 및 애노드를 이 순서대로 포함하는 제1 단위셀을 복수개 포함하는 전력 수직 배향형 수전해 스택.
  9. 제5항에 있어서,
    일단부에 서로 밀착되게 배치된 도전성 금속판과 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제1-1 판구조체를 포함하고,
    타단부에 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판과 도전성 금속판을 이 순서대로 포함하는 제1-2 판구조체 또는 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판과 도전성 금속판을 이 순서대로 포함하는 제1-3 판구조체를 포함하고,
    중앙부에 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판, 도전성 금속판 및 애노드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-1 판구조체를 포함하고,
    일단부와 중앙부 사이에 서로 밀착되게 배치된 애노드 분리판, 도전성 금속판 및 캐소드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-3 판구조체를 복수개 포함하고,
    중앙부와 타단부 사이에 서로 밀착되게 배치된 캐소드 분리판, 도전성 금속판 및 애노드 분리판을 이 순서대로 포함하는 제2-4 판구조체를 복수개 포함하고,
    일단부와 중앙부 사이에 캐소드, 캐소드 촉매층, 분리막, 애노드 촉매층 및 애노드를 이 순서대로 포함하는 제1 단위셀을 복수개 포함하고,
    중앙부와 타단부 사이에 애노드, 애노드 촉매층, 분리막, 캐소드 촉매층 및 캐소드를 이 순서대로 포함하는 제2 단위셀을 복수개 포함하는 전력 수직 배향형 수전해 스택.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    스택 조립후, 상기 애노드는 대응 애노드 분리판과 전기적으로 접촉하고, 상기 캐소드는 대응 캐소드 분리판과 전기적으로 접촉하도록 구성된 전력 수직 배향형 수전해 스택.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 한쌍의 엔드플레이트로는 전류가 인가되지 않도록 구성된 전력 수직 배향형 수전해 스택.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 한쌍의 엔드플레이트 중 어느 하나에 설치된 물 공급구, 산소와 미반응물 배출구, 수소 배출구 및 수소 벤트구를 포함하는 전력 수직 배향형 수전해 스택.
KR1020230021607A 2023-02-17 2023-02-17 전력 수직 배향형 수전해 스택 KR102620799B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230021607A KR102620799B1 (ko) 2023-02-17 2023-02-17 전력 수직 배향형 수전해 스택

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230021607A KR102620799B1 (ko) 2023-02-17 2023-02-17 전력 수직 배향형 수전해 스택

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102620799B1 true KR102620799B1 (ko) 2024-01-05

Family

ID=89541046

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020230021607A KR102620799B1 (ko) 2023-02-17 2023-02-17 전력 수직 배향형 수전해 스택

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102620799B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030007842A (ko) * 2001-04-03 2003-01-23 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 고분자 전해질형 연료전지 및 그 운전방법
KR20050106092A (ko) * 2003-03-06 2005-11-08 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 연료전지
JP2009187778A (ja) * 2008-02-06 2009-08-20 Panasonic Corp 燃料電池スタックおよびその製造方法
KR101769756B1 (ko) * 2016-03-21 2017-08-21 (주)엘켐텍 전기화학 셀 및 이를 이용한 전기화학용 스택

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030007842A (ko) * 2001-04-03 2003-01-23 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 고분자 전해질형 연료전지 및 그 운전방법
KR20050106092A (ko) * 2003-03-06 2005-11-08 도요다 지도샤 가부시끼가이샤 연료전지
JP2009187778A (ja) * 2008-02-06 2009-08-20 Panasonic Corp 燃料電池スタックおよびその製造方法
KR101769756B1 (ko) * 2016-03-21 2017-08-21 (주)엘켐텍 전기화학 셀 및 이를 이용한 전기화학용 스택

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7767355B2 (en) Fuel cell stack with dummy cell
US7799480B2 (en) Fuel cell stack with dummy cell
US7309539B2 (en) Fuel cell stack
US8574778B2 (en) Fuel cell stack
US20090042075A1 (en) Fuel Cell Stack
US20060024561A1 (en) Fuel cell stack
US7169496B2 (en) Fuel Cell
US7794891B2 (en) Fuel cell with interweaving current collector and membrane electrode assembly
CN210837970U (zh) 燃料电池及车辆
CN104617324A (zh) 一种具有测试功能的燃料电池组
CN101826621A (zh) 燃料电池用双极板
US20080090123A1 (en) Fuel cell having stack with improved sealing structure
JP4984459B2 (ja) 燃料電池および樹脂フレーム
US6656621B2 (en) Fuel cell stack
EP1473791A1 (en) Fuel cell power generator
KR102564532B1 (ko) 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택
KR102620799B1 (ko) 전력 수직 배향형 수전해 스택
KR102620798B1 (ko) 전력 수직 배향형 수전해 스택
KR101353839B1 (ko) 우수한 면압 균일성 및 내구성을 갖는 고체산화물 연료전지
US20090023024A1 (en) Fuel cell stack
US7767360B2 (en) Electrochemical cell apparatus
KR102098628B1 (ko) 연료전지용 세퍼레이터
KR101289112B1 (ko) 고체산화물 연료전지용 분리판
KR100488723B1 (ko) 요철구조의 기체유로를 갖는 연료 전지용 분리판
CN218548484U (zh) 燃料电池电堆

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant