KR102629362B1 - 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법 - Google Patents
음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102629362B1 KR102629362B1 KR1020230163613A KR20230163613A KR102629362B1 KR 102629362 B1 KR102629362 B1 KR 102629362B1 KR 1020230163613 A KR1020230163613 A KR 1020230163613A KR 20230163613 A KR20230163613 A KR 20230163613A KR 102629362 B1 KR102629362 B1 KR 102629362B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- exchange membrane
- anion exchange
- water electrolysis
- electrolysis stack
- electrolyte solution
- Prior art date
Links
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 title claims abstract description 99
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 85
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 78
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims abstract description 47
- 239000012670 alkaline solution Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000010926 purge Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000003213 activating effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 14
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 13
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 13
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 12
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 10
- 230000004913 activation Effects 0.000 claims description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 7
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims description 5
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 125000004435 hydrogen atom Chemical class [H]* 0.000 claims 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 15
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 12
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 10
- 150000003512 tertiary amines Chemical class 0.000 description 10
- -1 halide ions Chemical class 0.000 description 9
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 6
- 229920005597 polymer membrane Polymers 0.000 description 6
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 6
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 5
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N Tetrahydrofuran Chemical compound C1CCOC1 WYURNTSHIVDZCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 229920000840 ethylene tetrafluoroethylene copolymer Polymers 0.000 description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 4
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 4
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N Toluene Chemical compound CC1=CC=CC=C1 YXFVVABEGXRONW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 3
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 3
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 125000001453 quaternary ammonium group Chemical group 0.000 description 3
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 230000005945 translocation Effects 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 2
- NQRYJNQNLNOLGT-UHFFFAOYSA-N Piperidine Chemical compound C1CCNCC1 NQRYJNQNLNOLGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 2
- 125000002521 alkyl halide group Chemical group 0.000 description 2
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 2
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 2
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 2
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 description 2
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 2
- XUWHAWMETYGRKB-UHFFFAOYSA-N piperidin-2-one Chemical compound O=C1CCCCN1 XUWHAWMETYGRKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 2
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 2
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 230000008961 swelling Effects 0.000 description 2
- YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N tetrahydrofuran Natural products C=1C=COC=1 YLQBMQCUIZJEEH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000037303 wrinkles Effects 0.000 description 2
- OQADVBLQZQTGLL-UHFFFAOYSA-N 2-ethyl-n,n-dimethylhexan-1-amine Chemical compound CCCCC(CC)CN(C)C OQADVBLQZQTGLL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DJEQZVQFEPKLOY-UHFFFAOYSA-N N,N-dimethylbutylamine Chemical compound CCCCN(C)C DJEQZVQFEPKLOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N O-Xylene Chemical compound CC1=CC=CC=C1C CTQNGGLPUBDAKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 1
- 238000005349 anion exchange Methods 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 125000006165 cyclic alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 description 1
- 125000005843 halogen group Chemical group 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 1
- 239000011976 maleic acid Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- GDHRQDYGUDOEIZ-UHFFFAOYSA-N n,n,2-trimethylpropan-1-amine Chemical compound CC(C)CN(C)C GDHRQDYGUDOEIZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OXQMIXBVXHWDPX-UHFFFAOYSA-N n,n,2-trimethylpropan-2-amine Chemical compound CN(C)C(C)(C)C OXQMIXBVXHWDPX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- KOOQJINBDNZUTB-UHFFFAOYSA-N n,n,3-trimethylbutan-1-amine Chemical compound CC(C)CCN(C)C KOOQJINBDNZUTB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- USSPHSVODLAWSA-UHFFFAOYSA-N n,n-dimethylbutan-2-amine Chemical compound CCC(C)N(C)C USSPHSVODLAWSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LSICDRUYCNGRIF-UHFFFAOYSA-N n,n-dimethylheptan-1-amine Chemical compound CCCCCCCN(C)C LSICDRUYCNGRIF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- QMHNQZGXPNCMCO-UHFFFAOYSA-N n,n-dimethylhexan-1-amine Chemical compound CCCCCCN(C)C QMHNQZGXPNCMCO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UQKAOOAFEFCDGT-UHFFFAOYSA-N n,n-dimethyloctan-1-amine Chemical group CCCCCCCCN(C)C UQKAOOAFEFCDGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IDFANOPDMXWIOP-UHFFFAOYSA-N n,n-dimethylpentan-1-amine Chemical compound CCCCCN(C)C IDFANOPDMXWIOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LSTZYJQJHGEVKH-UHFFFAOYSA-N n,n-dimethylpentan-2-amine Chemical compound CCCC(C)N(C)C LSTZYJQJHGEVKH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZUHZZVMEUAUWHY-UHFFFAOYSA-N n,n-dimethylpropan-1-amine Chemical compound CCCN(C)C ZUHZZVMEUAUWHY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VMOWKUTXPNPTEN-UHFFFAOYSA-N n,n-dimethylpropan-2-amine Chemical compound CC(C)N(C)C VMOWKUTXPNPTEN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 1
- IOQPZZOEVPZRBK-UHFFFAOYSA-N octan-1-amine Chemical compound CCCCCCCCN IOQPZZOEVPZRBK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000007086 side reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 239000008096 xylene Substances 0.000 description 1
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
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
- C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
-
- 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
- C25B15/00—Operating or servicing cells
-
- 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
-
- 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
-
- 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)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
비활성화된 음이온 교환막, 애노드 및 캐소드를 포함하는 단위셀과 분리판을 적층시키고 체결하는 수전해 스택 체결 단계; 상기 비활성화된 음이온 교환막의 애노드 및 캐소드 양측에 OH-를 함유한 알칼리 수용액을 공급하여 상기 음이온 교환막을 활성화하는 전해질 용액 순환 단계; 상기 수전해 스택의 애노드 측 전해질 용액의 순환을 중지하고, 퍼지 가스를 투입하여 상기 수전해 스택의 애노드 측에 남아있는 전해질 용액을 제거하는 퍼지 단계;를 포함하는, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법이 개시된다.
Description
본 명세서는 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 태양광·풍력과 같은 재생에너지 발전 방식 및 수소를 이용한 수소 연료전지 자동차와 발전용 연료전지 등의 사용이 점차 확대되면서 재생에너지원의 이용률 증가와 에너지 저장 관점에서 핵심이 되는 수소를 에너지 캐리어로 활용할 수 있는 고내구성 수전해 시스템 기술의 중요성이 부각되고 있다.
수전해를 이용하여 수소를 생산하는 방식으로는, 산성 및 알칼리 수전해 방식, 양이온 교환막(Proton Exchange Membrane; PEM) 수전해 방식, 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane; AEM) 수전해 방식 등이 알려져 있다.
양이온 교환막 수전해 방식에 사용되는 대표적인 이온교환막으로는 Dupont 사의 Nafion이 있으며, 음이온 교환막 수전해 방식에 사용되는 대표적인 이온교환막으로는 Versogen사의 PiperION이 있다.
양이온 교환막(PEM) 수전해 방식은 연구 개발이 오랫동안 지속되어 왔고, 대형화에 상대적으로 유리하다는 장점이 있지만, 값비싼 백금(Pt)을 전극으로 활용하면서, 이리듐 같은 희토류 금속을 촉매로 활용해야 하는 점에서 기존의 알카라인 수전해 시스템에 비해 활용 가능성이 낮다.
반면, 음이온 교환막(AEM) 수전해 방식은 니켈, 철 등의 비교적 흔한 금속 원소들을 전극으로 활용하고, 소량의 백금 촉매만을 필요로 하는 등 상대적으로 제약이 적어 그 가능성과 잠재력이 크다고 판단되기에, 현재 촉망받는 연구 대상으로 떠오르고 있다.
이러한 AEM 수전해 방식에서 사용되는 음이온 교환막에 관한 기술로서 특허문헌 1이 알려져 있다. 특허문헌 1에서는 할로겐화 이온(Cl-, Br-)이 결합된 화합물을 통해 고분자 막에 4차 암모늄기를 도입하고 있으며, 성능 향상을 위해 상기 고분자 막을 KOH, NaOH등 알칼리 용액에 침지하여 상기 할로겐화 이온을 OH-로 치환시켜 음이온 교환막을 제조하고 있다.
그런데, 작용기가 OH-로 치환된 음이온 교환막은 공기중에 노출되어 건조해지면 깨지기 쉬운 형태로 변형된다. 또한 이온교환막이 알칼리 용액에 침지 되면 in-plane 방향과 out-of-plane 방향으로 팽윤이 발생하는데 일부 음이온 교환막의 경우 팽윤이 불규칙적으로 발생되어 막 표면에 주름이 발생하게 된다. 이처럼 이온교환막 표면에 주름이 발생하거나, 셀의 체결 과정에서 막이 건조해지는 경우에는 막과 가스켓이 접합하는 부위에서 수소와 산소의 크로스(cross) 누설의 원인이 될 수 있으며, 이는 수소와 산소의 혼합 문제로 연결되어, 수전해 시스템의 안전에 큰 위험요인이 될 수 있다.
또한 알칼리 용액에서 작용기가 OH-로 치환된 음이온 교환막은 상기와 같은 특성으로 인해 열처리를 통한 서브 가스켓 부착이 불가능하다는 단점이 있으며, 표면에 잔류하고 있는 강염기성 물질로 인해 스택 체결 시에 안전성 또한 크게 떨어지는 문제가 발생한다.
최근 수전해 기술의 발전에 따라 MW급의 대용량 수전해 스택 및 시스템이 요구되는 상황에서, 스택 체결 과정에서의 체결 불량 및 수소와 산소의 크로스(cross) 누설 발생을 방지할 수 있는 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법이 반드시 필요한 실정이다.
본 발명의 여러 목적 중 하나는, 스택 체결 과정에서의 체결 불량이나 가스켓과 음이온 교환막 사이에서 수소와 산소의 크로스(cross) 누설 발생을 방지할 수 있는 음이온 교환 수전해 스택의 제조 방법을 제공하는 것이다.
일 측면에 따르면, 비활성화된 음이온 교환막, 애노드 및 캐소드를 포함하는 단위셀과 분리판을 적층시켜 체결하는 수전해 스택 체결 단계; 상기 비활성화된 음이온 교환막의 애노드 및 캐소드 양측에 OH-를 함유한 알칼리 수용액을 공급하여 상기 음이온 교환막을 활성화하는 전해질 용액 순환 단계; 상기 수전해 스택의 애노드 측 전해질 용액의 순환을 중지하고, 퍼지 가스를 투입하여 상기 수전해 스택의 애노드 측에 남아있는 전해질 용액을 제거하는 퍼지 단계;를 포함하는, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법이 제공된다.
일 실시예에 있어서, 상기 비활성화된 음이온 교환막의 반대 이온(counterion)은 할로겐화 이온일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해질 용액 순환 단계에서, 상기 알칼리 수용액은 KOH 수용액, NaOH 수용액 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해질 용액 순환 단계에서, 상기 알칼리 수용액의 농도는 0.5~1M일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해질 용액 순환 단계에서, 상기 알칼리 수용액의 순환 시간은 24~48시간일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해질 용액 순환 단계에서, 상기 전해질 용액을 50℃ 이하의 온도로 승온시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 전해질 용액 순환 단계에서, 상기 전해질 용액을 촉매 활성 온도 이상의 온도로 승온시킬 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수전해 스택에 블리드 저항을 연결하거나 전류밀도가 50~150mA/cm2인 전류를 공급하여 역전위를 방지할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수전해 스택의 단위셀 전압이 1.6V 이하일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 음이온 교환막이 활성화된 후 상기 퍼지 가스를 투입하기 전, 상기 전해질 순환 용액을 냉각하고, 상기 냉각에 의해 상기 전해질 용액의 온도가 촉매 활성 온도 미만이 되면 상기 블리드 저항의 연결을 해제하거나 상기 전류 공급을 중지할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 퍼지 가스는 수소, 질소, 아르곤 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다.
본 발명의 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법에 따르면, 열처리를 이용한 서브 가스켓 부착이 가능하고, 가스켓과 음이온 교환막 사이의 누설 발생을 방지할 수 있는 수전해 스택을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 제조 방법에 의해 얻어진 수전해 스택은 음이온 교환막 수전해 스택의 대량 생산에 적합한 이점이 있다.
본 명세서의 일 측면의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 명세서의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법에 대한 순서도를 나타낸다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서의 일 측면을 설명하기로 한다. 그러나 본 명세서의 기재사항은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 명세서의 일 측면을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 수치적 값의 범위가 기재되었을 때, 이의 구체적인 범위가 달리 기술되지 않는 한 그 값은 유효 숫자에 대한 화학에서의 표준규칙에 따라 제공된 유효 숫자의 정밀도를 갖는다. 예를 들어, 10은 5.0 내지 14.9의 범위를 포함하며, 숫자 10.0은 9.50 내지 10.49의 범위를 포함한다.
본 명세서에서 “비활성화된 음이온 교환막”은 반대이온(counterion)이 OH-로 치환되지 않은 음이온 교환막을 통칭하는 것으로 사용된다. 또한, 본 명세서에서 “활성화된 음이온 교환막”은 반대이온이 OH-로 치환되어 높은 성능을 갖는 음이온 교환막을 말한다.
음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법
1) 수전해 스택 체결 단계
음이온 교환막 수전해 시스템은 다른 형태의 수전해 시스템에 비해 작동 온도가 낮고, 효율이 높으며, 다공성 소재를 사용할 필요가 없어 저렴한 소재를 사용할 수 있으므로 설비 가격이 낮다는 장점이 존재한다.
이러한 음이온 교환막 수전해 시스템에 사용되는 음이온 교환막 수전해 스택은 OH-(수산화 이온)를 포함하는 음이온이 이동할 수 있는 음이온 교환막(Anion Exchange Membrane)을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매가 포함된 확산 전극(Diffusion Electrodes)이 존재하고, 생성된 기체들 및 전해질 용액의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 생성된 기체들 및 전해질 용액을 이동시키는 유로가 있는 분리판을 포함하여 구성된다.
이러한 단위셀 구성을 이용하여 수전해 스택을 조립할 때, 가장 안쪽에 주요 구성인 막전극접합체가 위치하는데, 이는 앞서 설명한 음이온 교환막과 밀착 형성된 애노드 및 캐소드 전극이 붙어있는 형태이다.
캐소드 전극에서는 하기 반응식 1과 같이 외부 전원으로부터 공급된 전자와 물이 반응하여 수소 기체와 OH-이온이 형성되는 반응이 일어나고 해당 OH-이온이 음이온 교환막을 통해 애노드 전극으로 이동하여 하기 반응식 2와 같이 물과 산소 기체를 생성하게 된다.
(반응식 1) H2O + 2e- → 2OH- + H2
(반응식 2) 2OH- → 1/2O2 + H2O + 2e-
또한, 막전극접합체의 양쪽으로 다공성 유체 확산층(PTL)이 존재하게 된다. 다공성 유체 확산층은 발생된 수소 기체 및 산소 기체가 이동할 수 있는 확산층으로서 기능하게 된다.
본 발명에서는 비활성화된 음이온 교환막, 애노드 및 캐소드를 포함하는 단위셀과 분리판을 적층시키고 수전해 스택을 체결하는 단계가 진행될 수 있다.
본 발명에서 사용되는 상기 비활성화된 음이온 교환막은 음이온 교환막 수전해 시스템에서 애노드 전극과 캐소드 전극 사이를 이동하는 음이온인 OH-(수산화 이온)가 이동할 수 있는 통로로 기능하게 된다.
상기 비활성화된 음이온 교환막을 제조하기 위해, 먼저 3차 아민을 용매에 용해시켜 3차 아민 용액을 제조하고, 음이온 교환막의 베이스가 되는 고분자 막을 3차 아민 용액에 침지시킨다. 이를 통해 고분자 막에 포함된 알킬 할라이드기가 3차 아민과 반응하여 알킬 할라이드 그룹의 할로겐 원자가 3차 아민과 치환되어 4차 암모늄기가 도입될 수 있다.
상기 고분자 막은 예를 들어, 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE), 폴리플루오르화비닐리덴(PVDF), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐알코올/폴리스티렌술폰산-말레인산(PVA/PSSA-MA)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다. 바람직하게는, 상기 고분자 막으로 에틸렌-테트라플루오로에틸렌 공중합체(ETFE)를 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 3차 아민은 알킬기 3개와 결합되어 있는 질소 원자를 포함하는 것으로, 예를 들어 디메틸 n-프로필아민, 디메틸 n-부틸아민, 디메틸 n-펜틸아민, 디메틸 n-헥실아민, 디메틸 n-헵틸아민, 디메틸 n-옥틸아민과 같이 직쇄 알킬기만을 가질 수 있고, 디메틸 이소프로필아민, 디메틸 이소부틸아민, 디메틸 sec-부틸아민, 디메틸 tert-부틸아민, 디메틸 이소펜틸아민, 디메틸 sec-펜틸아민, 디메틸 이소옥틸아민, 디메틸-2-에틸헥실아민과 같이 분지형 알킬기를 가질 수 있으며, 피페리돈, 피페리딘과 같이 고리형 알킬기 내부에 포함된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 상기 3차 아민은 피페리돈일 수 있다.
이후, 제조된 음이온 교환막을 순수로 세척한 후, 산성 용액 또는 3차 아민을 용해시킬 수 있는 용매에 침지시켜 남아있는 3차 아민을 제거한다. 이후, 음이온 교환막을 다시 순수로 세척한 후 진공에서 건조시킨다.
상기 산성 용액은 유기산, 무기산 등 물에 녹는 산이라면 그 종류에 제한되지 않는다. 예를 들어, 질산, 황산, 염산 등의 무기산 또는 포름산, 아세트산 등의 유기산을 물에 녹인 수용액일 수 있고, 바람직하게는 염산 수용액을 사용할 수 있다.
상기 3차 아민을 용해시킬 수 있는 용매로는 에탄올, 테트라하이드로퓨란 (THF), 톨루엔, 자일렌으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나일 수 있다.
이렇게 제조된 음이온 교환막은 4차 암모늄기의 반대 이온으로서 할로겐화 이온을 갖는다.
특히, 단위셀에 상기 비활성화된 음이온 교환막을 사용하게 되면, 기존의 활성화된 음이온 교환막에 비해 안정적인 물성을 갖는 음이온 교환막을 이용할 수 있어, 체결의 난이도가 낮고 크로스(cross) 누설 방지 성능이 뛰어날 수 있다.
상기 캐소드 전극, 애노드 전극 및 비활성화된 음이온 교환막으로 구성된 막전극접합체 및 다공성 유체 확산층이 하나의 단위셀이 되고, 이러한 단위셀과 유로가 형성되어 있는 분리판을 여러 개 적층하여 원하는 규모의 음이온 교환막 수전해 스택을 제조하게 된다.
이때, 서브 가스켓은 스택을 제조함에 있어 구조적 안정성을 부여하기 위해 도입되는 것으로, 전극을 노출시킬 수 있도록 중앙 부분이 뚫린 형태로 제작되며, 중앙 부분이 뚫린 형태의 서브 가스켓 필름을 음이온 교환막에 전극이 전사된 막전극접합체와 합지한 후 고온 및 고압으로 프레스하여, 서브 가스켓 필름이 테두리 부분에 노출되어 있는 막전극접합체에 접합되도록 한다.
여기서, 열처리를 통해 서브 가스켓을 합지 및 접합하여 제조 공정에서 막전극접합체를 여러 장 적층한 뒤 수전해 스택을 제작하게 되면, 구조적 안정성이 부여될 뿐 아니라, 수전해 스택 제작 후 이를 운전하는 동안 캐소드에서 생성되는 수소 기체 및 애노드에서 생성되는 산소 기체의 크로스(cross) 누설을 방지하고 기밀을 유지할 수 있다는 장점이 존재한다.
하지만, 기존의 기술에 따르면, 활성화된 음이온 교환막은 깨지기 쉬운 형태로 변형되어 있으므로, 서브 가스켓을 합지시키기 위해 열처리하는 과정에서 음이온 교환막이 깨지거나 손상되는 등 스택 제작 시 치명적인 손상을 야기할 수 있다. 따라서, 기존의 기술을 활용한 활성화된 음이온 교환막의 경우에는 음이온 교환막 수전해 스택을 제조할 때, 서브 가스켓의 합지가 사실상 불가능하다는 단점이 존재하였다.
이를 해결하기 위해, 본 발명자들은 예의 실험을 거듭한 끝에, 음이온 교환막의 작용기 치환을 시행하지 않은 비활성화된 음이온 교환막을 그대로 도입하여 스택을 체결한 후에, 알칼리 수용액을 순환시켜 작용기 치환을 시행하게 되면, 스택 체결 시에 서브 가스켓을 합지 및 접합하여 크로스(cross) 누설을 방지하면서도, 공정의 용이성을 확보할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 이하에서는 본 발명의 음이온 교환막 수전해 스택의 활성화 방법에 대해 설명한다.
2) 전해질 용액 순환 단계
본 발명에 따른 비활성화된 음이온 교환막을 사용한 단위셀(막전극접합체) 활성화 방법은 상기 애노드 및 캐소드 양측에 OH-를 함유한 알칼리 수용액을 공급하여 순환시키는 단계를 포함한다.
이때, 비활성화된 음이온 교환막을 포함하는 수전해 스택에 순환되는 전해질 용액이 애노드 측과 캐소드 측에 모두 공급됨으로써 음이온 교환막의 양 반응면 모두를 효과적으로 치환시켜 활성화할 수 있다. 특히, 음이온 교환막 수전해 시스템에서는 알칼리 수용액을 사용하여 전해질로 사용하게 되므로, OH-를 함유한 전해질을 수전해 시스템 가동 전에 순환시켜 비활성화된 음이온 교환막과 접촉시키게 되면, 음이온 교환막에 반대 이온으로 존재하던 할로겐화 이온이 수산화 이온으로 치환되어 활성화됨에 따라 음이온 교환막의 성능이 향상될 수 있다.
상기 전해질 용액으로 사용되는 알칼리 수용액은 KOH 수용액, NaOH 수용액 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있다. 바람직하게는 상기 알칼리 수용액은 KOH 수용액일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해질 용액으로 사용되는 알칼리 수용액의 농도는 0.5~1M일 수 있다. 상기 알칼리 수용액의 농도가 상기 범위 미만이면, OH-의 농도가 너무 낮아 비활성화된 음이온 교환막의 작용기를 치환시켜 활성화하는 시간이 지나치게 오래 걸리게 되고, 상기 범위 초과이면, 분리막의 주쇄(backbone) 혹은 측쇄(side chain)의 내구성을 저하시킬 수 있다.
상기 알칼리 수용액의 순환 시간은 24~48시간일 수 있다. 바람직하게는, 상기 알칼리 수용액의 순환 시간은 30~42시간일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 알칼리 수용액의 순환 시간이 상기 범위 미만이면, 비활성화된 음이온 교환막의 작용기 치환을 위해 충분한 시간이 확보될 수 없어 음이온 교환막의 성능이 나빠질 수 있고, 상기 범위 초과이면 수전해 스택 활성화에 과도한 시간이 소요되어 작업효율성이 떨어질 수 있다.
또한, 상기 활성화된 음이온 교환막으로부터 분리된 Cl- 등의 할로겐화 이온의 경우에는, 순환하면서 음이온 교환막에 재치환될 수 있어 작용기 치환을 위해 사용되는 상기 알칼리 수용액은 1회 이상 교체하는 것이 바람직하다.
상기 전해질 용액이 수전해 스택의 애노드 및 캐소드 양측을 순환하면서 음이온 교환막 작용기를 치환시켜 활성화하는 동안, 음이온 교환막의 치환 반응 속도를 증가시키기 위해 상기 전해질 용액을 승온하는 과정이 수행될 수 있다. 상기 승온 후 전해질 용액의 온도는 50℃ 이하일 수 있다. 상기 승온 후 전해질 용액의 온도가 상기 범위 초과이면, 온도 상승에 따라 반응계가 높은 엔트로피를 갖게 되고, 이로 인해 작용기의 치환 반응인 SN2 치환 반응이 아닌 부반응으로 E2 반응이 진행되어 알켄이 생성될 수 있으며, 이는 음이온 교환막의 비가역적이고 영구적인 열화로 이어지게 되어 음이온 교환막의 성능이 저하될 수 있고, 그 내구성에도 악영향을 끼칠 수 있다.
또한, 상기 승온 후 전해질 용액의 온도는 촉매 활성 온도 이상일 수 있고, 예컨대 40℃ 이상일 수 있으며, 이 경우, 상기 수전해 스택에 블리드 저항을 연결하거나 전류밀도가 50~150mA/cm2인 전류를 공급하여 단위셀에서 발생할 수 있는 역전위를 방지하는 과정이 수행될 수 있다.
상기 음이온 교환막의 열화는 높은 전압에서 산소를 포함한 라디칼(예컨대, 산소 라디칼, 하이드록시 라디칼, 하이드로퍼옥실 라디칼) 발생에 의해 전기화학적인 반응에 의해 주로 발생하고, 캐소드 및 애노드 전극의 열화는 높은 상대 습도에서 전압 변동에 따른 백금 촉매 입자의 성장에 의한 활성 면적 감소와 역전위 발생에 의한 탄소 지지체 소실에 의해 주로 발생한다. 여기서 역전위란 높은 전위에서 역반응(연료전지 반응)이 발생하는 것을 말하며, 이는 역전위가 발생하게 되면 연료전지 반응이 열역학적으로 자발적인 반응이 되기에 발생하는 것으로 생각된다. 여기서 연료전지 반응이란 하기 반응식 3 및 4의 반응이 일어나는 것으로, 생성된 수소가 소모되는 반응으로서 수전해 스택에서 발생하게 되면, 수소의 생성량이 감소하게 되어 문제를 일으킬 수 있다.
(반응식 3) 2OH- + H2 → H2O + 2e-
(반응식 4) 1/2O2 + H2O + 2e-→ 2OH-
특히, 수전해 반응은 이론상 1.23V에 비해 더 높은 전압에서 수행되는 것이 일반적이므로, 1.7 V 이상의 높은 전압을 거는 경우가 많기 때문에 음이온 교환막과 전극의 열화 속도가 높아져 그 수명이 짧아질 수 있다.
상기 비활성화된 음이온 교환막의 작용기가 치환되는 동안 상기 전해질 용액을 가열하게 되면, 알칼리 수용액의 온도가 높아지게 되고, 이에 따라 높은 전압이 걸리는 수전해 시스템의 특성 상 산소를 포함하는 라디칼(예컨대, 산소 라디칼, 하이드록시 라디칼, 하이드로퍼옥실 라디칼)의 생성 가능성이 높아지게 되고, 역전위 발생 가능성 역시 높아지게 된다. 이를 방지하기 위해, 본 발명의 발명자들은 상기 전해질 용액이 순환하는 동안 수전해 스택에 블리드 저항 혹은 전류밀도 50~150mA/cm2범위의 전류를 인가하게 되면, 단위셀 전압을 1.6V이하로 유지할 수 있어 역전위가 발생할 가능성을 현저히 낮출 수 있음을 확인하였다.
상기 블리드 저항은 블리더 저항으로도 불리는 것으로, 전류 변화에 따른 전위 변화를 억제하기 위해서 전류를 일정하게 만들기 위해 전기 회로에 병렬적으로 연결되는 저항을 말한다. 이를 통해 주 회로에서의 전류가 일정해져 수전해 스택에서 발생할 수 있는 역전위 발생 가능성이 억제되게 된다.
상기 수전해 스택에 전류밀도 50~150mA/cm2범위의 전류를 공급할 수 있고, 바람직하게는 전류밀도 50~100mA/cm2범위의 전류를 공급할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 수전해 스택에 상기 범위의 전류를 공급하게 되면, 상기 수전해 스택에 일정한 수준의 전류가 지속적으로 공급되어 전압 변동폭이 줄어들게 되고, 이에 따라 역전위 발생 가능성이 낮아져 수전해 스택의 내구성이 향상되고, 더 나아가서는 수전해 시스템의 성능 저하를 막을 수 있게 된다.
상기 역전위 방지 과정에서, 단위셀 전압이 1.6V 이하로 유지될 수 있다. 상기 단위셀 전압이 1.6V 초과이면, 지나치게 큰 전압이 걸려 단위셀에서 역전위가 발생할 가능성이 높아지게 되고, 이에 따라 상기 활성화된 음이온 교환막, 전극 표면 등의 열화가 발생하여 음이온 교환막 수전해 시스템의 성능이 저하될 수 있다.
상기 전해질 용액 순환 단계에서 상기 전해질 용액을 촉매 활성 온도 이상의 온도로 승온시킨 경우, 상기 음이온 교환막이 활성화된 후 상기 전해질 순환 용액을 냉각하는 과정이 수행될 수 있다.
상기 전해질 용액 냉각 시, 냉각 후 상기 전해질 용액의 온도가 촉매 활성 온도 미만이 되면, 상기 블리드 저항의 연결을 해제하거나 상기 역전위 방지를 위한 전류 공급을 중지할 수 있고, 이때 상기 촉매 활성 온도는 40℃일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전해질 용액의 온도가 냉각에 따라 촉매 활성 온도 미만이 되면 단위셀의 과전압 발생 가능성이 감소하므로, 구동 중단의 신호로 보고 블리드 저항의 연결을 해제하거나 인가되고 있던 전류의 공급을 중단하게 된다. 이를 통해 전류 공급에 소모되는 에너지를 줄일 수 있고, 환경 친화적인 수전해 시스템을 구성할 수 있다.
3) 퍼지 단계
상기 전해질 용액 냉각 단계 이후에, 상기 수전해 스택의 애노드 측 전해질 용액의 순환을 중지하고, 퍼지 가스를 투입하여 상기 수전해 스택의 애노드 측에 남아있는 전해질 용액을 제거하는 퍼지 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 퍼지 단계를 통해 전해질 용액에 포함되어 있는 잔존 수소 또는 산소 기체가 제거되어 수전해 스택을 다시 구동하기 전, 활성화된 음이온 교환막의 열화를 방지할 수 있고, 이에 따라 수전해 스택의 내구성 유지에 기여할 수 있다.
상기 퍼지 가스는 수소, 질소, 아르곤 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나일 수 있고, 바람직하게는 비활성가스로서 반응에 참여하지 않는 기체인 질소일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 일 측면이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 명세서에 기재된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 명세서의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 명세서의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (11)
- 비활성화된 음이온 교환막, 애노드 및 캐소드를 포함하는 단위셀과 분리판을 적층시키고 체결하는 수전해 스택 체결 단계;
상기 비활성화된 음이온 교환막의 애노드 및 캐소드 양측에 OH-를 함유한 알칼리 수용액을 공급하여 상기 음이온 교환막을 활성화하는 전해질 용액 순환 단계;
상기 수전해 스택의 애노드 측 전해질 용액의 순환을 중지하고, 퍼지 가스를 투입하여 상기 수전해 스택의 애노드 측에 남아있는 전해질 용액을 제거하는 퍼지 단계;를 포함하고,
상기 비활성화된 음이온 교환막은 반대이온(counterion)이 OH-로 치환되지 않은 음이온 교환막이고,
상기 활성화된 음이온 교환막은 상기 반대이온(counterion)이 OH-로 치환된 음이온 교환막인,
음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 비활성화된 음이온 교환막의 반대 이온(counterion)은 할로겐화 이온인 것을 특징으로 하는, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전해질 용액 순환 단계에서, 상기 알칼리 수용액은 KOH 수용액, NaOH 수용액 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전해질 용액 순환 단계에서, 상기 알칼리 수용액의 농도는 0.5~1M인, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전해질 용액 순환 단계에서, 상기 알칼리 수용액의 순환 시간은 24~48시간인 것을 특징으로 하는, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 전해질 용액 순환 단계에서, 상기 전해질 용액을 50℃ 이하의 온도로 승온시키는 것을 특징으로 하는, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법. - 제6항에 있어서,
상기 전해질 용액 순환 단계에서, 상기 전해질 용액을 촉매 활성 온도 이상의 온도로 승온시키는 것을 특징으로 하는, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 수전해 스택에 블리드 저항을 연결하거나 전류밀도가 50~150mA/cm2인 전류를 공급하여 역전위를 방지하는, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 수전해 스택의 단위셀 전압이 1.6V 이하인, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 음이온 교환막이 활성화된 후 상기 퍼지 가스를 투입하기 전, 상기 전해질 순환 용액을 냉각하고, 상기 냉각에 의해 상기 전해질 용액의 온도가 촉매 활성 온도 미만이 되면 상기 블리드 저항의 연결을 해제하거나 상기 전류 공급을 중지하는 것을 특징으로 하는, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 퍼지 가스는 수소, 질소, 아르곤 및 이들 중 2 이상의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나인, 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230163613A KR102629362B1 (ko) | 2023-11-22 | 2023-11-22 | 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230163613A KR102629362B1 (ko) | 2023-11-22 | 2023-11-22 | 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102629362B1 true KR102629362B1 (ko) | 2024-01-30 |
Family
ID=89714933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020230163613A KR102629362B1 (ko) | 2023-11-22 | 2023-11-22 | 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102629362B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012120991A (ja) * | 2010-12-09 | 2012-06-28 | Daihatsu Motor Co Ltd | アニオン交換膜 |
| KR101724060B1 (ko) * | 2016-05-18 | 2017-04-06 | 주식회사 두산 | 알칼리 수전해 장치 및 이의 운전 방법 |
| KR20200127076A (ko) * | 2019-04-30 | 2020-11-10 | 아크로랩스 주식회사 | 안정적인 수전해시스템 |
| KR20210071810A (ko) * | 2019-12-06 | 2021-06-16 | 한양대학교 산학협력단 | 신규 폴리플루오렌계 중합체 이오노머, 음이온교환막 및 이의 제조방법 |
-
2023
- 2023-11-22 KR KR1020230163613A patent/KR102629362B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012120991A (ja) * | 2010-12-09 | 2012-06-28 | Daihatsu Motor Co Ltd | アニオン交換膜 |
| KR101724060B1 (ko) * | 2016-05-18 | 2017-04-06 | 주식회사 두산 | 알칼리 수전해 장치 및 이의 운전 방법 |
| KR20200127076A (ko) * | 2019-04-30 | 2020-11-10 | 아크로랩스 주식회사 | 안정적인 수전해시스템 |
| KR20210071810A (ko) * | 2019-12-06 | 2021-06-16 | 한양대학교 산학협력단 | 신규 폴리플루오렌계 중합체 이오노머, 음이온교환막 및 이의 제조방법 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10916790B2 (en) | Liquid composition, process for its production, and process for producing membrane-electrode assembly for polymer electrolyte fuel cells | |
| Wang et al. | Alkaline polymer electrolyte membranes for fuel cell applications | |
| KR100578970B1 (ko) | 연료 전지용 전극 및 이를 포함하는 연료 전지 | |
| US8057954B2 (en) | Membrane-electrode assembly including guard gasket | |
| KR102629362B1 (ko) | 음이온 교환막 수전해 스택의 제조 방법 | |
| EP2097944A1 (en) | Process for operating a fuel cell in dry conditions | |
| KR101582378B1 (ko) | 고분자 전해질 연료전지에서 부동액 및 냉각수 누설 시 연료전지의 성능 회복 방법 | |
| KR100397954B1 (ko) | 연료전지용 고분자 전해질막 제조방법 | |
| KR20060096610A (ko) | 연료전지용 막/전극 어셈블리, 및 이를 포함하는 연료전지용 스택 및 연료전지 시스템 | |
| JP5368691B2 (ja) | 燃料電池用高分子電解質膜およびこれを含む燃料電池 | |
| KR100599811B1 (ko) | 연료 전지용 막/전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료전지 시스템 | |
| KR102476651B1 (ko) | 수전해용 리튬이온교환막 및 이를 포함하는 수전해 장치 | |
| JP2007012326A (ja) | 複合電解質膜 | |
| KR101679185B1 (ko) | 연료 전지용 애노드 전극 및 이를 포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 | |
| KR102083052B1 (ko) | 막 전극 접합체, 이를 포함하는 연료 전지 및 이의 제조방법 | |
| KR20060034939A (ko) | 연료전지용 전극의 제조방법 | |
| KR20220146891A (ko) | 성능이 개선된 황 함유 산 도핑된 pbi 기반 멤브레인, 이의 제조방법 및 이의 용도 | |
| US20080107951A1 (en) | Fuel cell device and the manufacturing method thereof | |
| KR20080047123A (ko) | 연료전지용 고분자 전해질 막의 제조방법, 이에 따라제조된 연료전지용 고분자 전해질 막, 이를 포함하는연료전지용 막-전극 어셈블리 및 연료전지 시스템 | |
| WO2008115676A2 (en) | Processes for activating membrane electrode assemblies | |
| Pilatowsky et al. | Selected Fuel Cells for Cogeneration CHP Processes | |
| Lee et al. | The Performance Degradation of PEMFCs Fabricated with Different GDLs During Exposure to Simultaneous Sulfur Impurity Poisoning Condition | |
| Gottesfeld | CELL PROCESS ‘H2+ OH" I ALK’IUNE I 02 | |
| Zelenay et al. | VII. K. 8 Direct Methanol Fuel Cells | |
| JP2007157429A (ja) | 燃料電池の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |