KR102662952B1 - Alkaline electrolysis stack assembly - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분리막을 기준으로 캐소드 측과 애노드 측에 각각 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루는 단위 스택을 포함하고, 복수의 상기 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 적층하여 모듈화시킨 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 스택 조립체에 관한 것으로서, 기체 및 액체의 유로를 단순화할 수 있고, 내부 저항을 감소시켜 성능을 확보할 수 있으며, 다양한 용량에 유연하게 대응할 수 있다.The present invention includes a unit stack in which a bipolar plate, a diffuser, and an electrode are sequentially arranged on the cathode side and the anode side with respect to the separator to be symmetrical to each other, and a plurality of the unit stacks are modularized by stacking them in a filter press method. This relates to an alkaline water electrolysis stack assembly, which can simplify gas and liquid flow paths, secure performance by reducing internal resistance, and flexibly respond to various capacities.
Description
본 발명은 단일 셀 적층 방식과 필터프레스 적층 방식을 접목한 알칼라인 수전해 스택 조립체에 관한 것이다.The present invention relates to an alkaline water electrolysis stack assembly combining the single cell stacking method and the filter press stacking method.
수소 제조 기술 분야 중에서 수전해는 물을 전기분해하여 고순도(99.999%)의 그린수소를 생산하는 기술로서, 알칼라인 수전해(Alkalnie electrolysis; AEL), 고분자 전해질막 수전해(Polymer electrolyte membrane electrolysis; PEMEL), 고체 산화물 수전해(Solid Oxide Electrolyser Cell; SOEC) 기술 등을 포함한다.Among hydrogen production technologies, water electrolysis is a technology that electrolyzes water to produce high purity (99.999%) green hydrogen, including alkaline water electrolysis (AEL) and polymer electrolyte membrane electrolysis (PEMEL). , Solid Oxide Electrolyser Cell (SOEC) technology, etc.
이 중에서 알칼라인 수전해는 KOH 또는 NaOH 등의 알칼리 수용액을 전해질로 사용하여 염기성 환경에서 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시키는 기술로서, 가장 오랜 시간 연구되어 왔으며, 다양한 기술을 통해 안정성 및 가격 경쟁력이 입증되었고, 기술적 성숙도가 높다. 구체적으로, 고분자 전해질막 수전해(PEM)의 경우 귀금속 촉매를 사용하지만, 알칼라인 수전해는 고가의 귀금속 촉매가 아니라 니켈 또는 스테인리스강을 주요 소재로 사용하므로 초기 설치 비용이 상대적으로 저렴하고, 시스템 수명이 길며 대용량 수소 발생에 적합한 기술이다.Among these, alkaline water electrolysis is a technology that generates hydrogen and oxygen by electrolyzing water in a basic environment using an aqueous alkaline solution such as KOH or NaOH as an electrolyte. It has been studied for the longest time and is stable and price competitive through various technologies. This has been proven and the technological maturity is high. Specifically, polymer electrolyte membrane water electrolysis (PEM) uses a precious metal catalyst, but alkaline water electrolysis uses nickel or stainless steel as the main material rather than an expensive precious metal catalyst, so the initial installation cost is relatively low and the system lifespan is relatively low. This technology is suitable for long and large-capacity hydrogen generation.
이러한 알칼라인 수전해 기술에 사용되는 수전해조 스택(stack)은 수소 및 산소 발생 전극, 분리막, 가스켓, 집전판 등으로 구성된다. 그리고, 종래의 알칼라인 수전해 기술의 스택은, 단일 셀을 적층하는 단일 셀 적층 방식과 클로로-알칼리 기술을 변형한 필터프레스(filter-press) 방식으로 나뉠 수 있다. 여기서, 단일 셀을 적층하는 스택 방식은 엔드 플레이트, 집전판, 가스켓, 메쉬형 확산층, 전극, 분리막을 연결하는 셀 프레임을 순차적으로 연결하여 단일 셀을 구성하고, 셀을 원하는 수만큼 적층하여 볼트로 고정하여 스택을 구성한다. 또한, 필터프레스 방식은 종래의 클로로-알칼리 공정(Chloro-alkali process)를 변형하여 단일 셀을 원하는 수만큼 연결하여 스택을 구성한다. 이러한 종래의 스택 적층 방식들은 단일 셀을 필요한 수 만큼 적층하여 용량을 확보할 수 있고, 단일 셀들의 연속적인 연결로 인하여 기체 및 액체의 유로를 단순화할 수 있고, 내부 저항이 감소하여 성능 확보에 유리하다.The water electrolyzer stack used in this alkaline water electrolysis technology consists of hydrogen and oxygen generating electrodes, a separator, a gasket, and a current collector plate. And, the stack of conventional alkaline water electrolysis technology can be divided into a single cell stacking method that stacks single cells and a filter-press method that is a modification of chloro-alkaline technology. Here, the stacking method of stacking a single cell consists of sequentially connecting the cell frame connecting the end plate, current collector, gasket, mesh-type diffusion layer, electrode, and separator to form a single cell, and stacking the desired number of cells with bolts. Fix it to form a stack. In addition, the filter press method modifies the conventional chloro-alkali process to form a stack by connecting a desired number of single cells. These conventional stacking methods can secure capacity by stacking the required number of single cells, simplify the gas and liquid flow paths by continuously connecting single cells, and reduce internal resistance, which is advantageous for securing performance. do.
그러나, 종래의 수전해 기술 중 단일 셀 적층 방식의 스택은 부품의 손상 및 성능 저하시 전체 스택을 분리하여 해당 부품을 교체해야 하므로 수전해 시스템의 동작이 장기간 정지할 수 밖에 없으며 현장 조치가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 단일 셀 적층 방식의 스택은 단일 셀을 수십 장 내지 수백 장 적층할 경우, 스택 구성 부품들 간의 단차없이 부품들을 정확하게 정합 배치시키는데 어려움이 있다.However, among conventional water electrolysis technologies, single-cell stacking has the disadvantage that when components are damaged or performance deteriorates, the entire stack must be separated and the components must be replaced, so the operation of the water electrolysis system is forced to stop for a long period of time and on-site measures are difficult. There is. In addition, in the single-cell stacking method, when dozens to hundreds of single cells are stacked, it is difficult to accurately align and arrange the components without steps between the stack components.
또한, 필터프레스 방식의 스택은 종래의 클로로-알칼리 기술에서 가성소다(NaOH)를 제조하는 방식을 변형한 타입으로서, 단일 셀의 부피가 크며 스택 방식에 비해 같은 용량의 수소 생산에 있어서 더 큰 부피를 차지한다. 더욱이, 필터프레스 방식의 스택은 단일 셀을 제작할 때 부품들 간의 내부 용접을 통해 제작되므로 제품 손상 및 성능 저하시 교체에 어려움이 있다. 또한, 필터프레스 방식의 스택은 단일 셀 구조에서 서로 적층 시 유로의 흐름이나 기체의 흐름이 개별적으로 구성되므로 스택 방식에 비해 많은 수의 부품이 필요하며, 관리의 어려움이 발생한다.In addition, the filter press stack is a type that modifies the method of producing caustic soda (NaOH) in the conventional chloro-alkali technology, and the volume of a single cell is large, and compared to the stack method, the volume is larger for hydrogen production of the same capacity. occupies Moreover, since the filter press stack is manufactured through internal welding between parts when manufacturing a single cell, it is difficult to replace when the product is damaged or its performance deteriorates. In addition, the filter press stack requires a larger number of parts compared to the stack method because the flow path or gas flow is configured individually when stacked on top of each other in a single cell structure, and management difficulties arise.
선행기술문헌 1: 공개특허공보 제10-2021-0010231호(2021.01.27.)Prior Art Document 1: Public Patent Publication No. 10-2021-0010231 (2021.01.27.)
선행기술문헌 2: 공개특허공보 제10-2003-0090653호(2003.11.28.)Prior Art Document 2: Publication of Patent No. 10-2003-0090653 (2003.11.28.)
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 단일 셀 적층 방식과 필터프레스 방식을 접목하여 복수의 독립 스택을 연속적으로 필터프레스 방식으로 연결함으로써, 기체 및 액체의 유로를 단순화할 수 있고, 내부 저항을 감소시켜 성능을 확보할 수 있으며, 다양한 용량에 유연하게 대응할 수 있는 알칼라인 수전해 스택 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention was invented to solve the above-mentioned problems. By combining the single cell stacking method and the filter press method, a plurality of independent stacks are connected sequentially by the filter press method, thereby simplifying the flow path of gas and liquid, The purpose is to provide an alkaline water electrolysis stack assembly that can secure performance by reducing internal resistance and can flexibly respond to various capacities.
한편, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 위에 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들을 명확하게 이해할 수 있을 것이다.Meanwhile, the technical problems to be solved by the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and anyone with ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can clearly understand other technical problems not mentioned above. There will be.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 분리막을 기준으로 캐소드 측과 애노드 측에 각각 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루는 단위 스택을 포함하고, 복수의 상기 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 적층하여 모듈화시킨 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above-described object, the present invention includes a unit stack in which a bipolar plate, a diffuser, and an electrode are sequentially disposed on the cathode side and the anode side with respect to the separator to be symmetrical to each other, and a plurality of the unit stacks It is characterized by being modularized by stacking using the filter press method.
바람직하게는, 상기 단위 스택은 한 쌍의 셀 프레임 지지체를 포함하고, 상기 한 쌍의 셀 프레임 지지체 사이에는 캐소드 측의 상기 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극 그리고 애노드 측의 상기 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극이 제로-갭 방식으로 적층되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the unit stack includes a pair of cell frame supports, and between the pair of cell frame supports is the bipolar plate, diffuser, and electrode on the cathode side and the bipolar plate, diffuser, and electrode on the anode side. It is characterized by being stacked in a zero-gap manner.
바람직하게는, 상기 바이폴라 플레이트와 상기 확산체 사이에는 박막 바이폴라 플레이트가 삽입되고, 상기 박막 바이폴라 플레이트의 배면에 상기 확산체가 적층되고, 상기 확산체는 메쉬, 니트, 폼 방식으로 제조된 다공체이며, 상기 확산체는 10㎛ ~ 10mm의 기공 및 0.1mm ~ 20mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.Preferably, a thin film bipolar plate is inserted between the bipolar plate and the diffuser, the diffuser is laminated on the back of the thin film bipolar plate, and the diffuser is a porous material manufactured by a mesh, knit, or foam method, The diffuser is characterized by having pores of 10㎛ ~ 10mm and a thickness of 0.1mm ~ 20mm.
추가적으로, 상기 전극은 상기 확산체의 배면에 적층되고, 상기 분리막은 한 쌍의 전극 사이에 적층되며, 상기 바이폴라 플레이트, 상기 박막 바이폴라 플레이트 및 상기 확산체 사이의 누수를 방지하기 위한 가스켓이 설치되는 것을 특징으로 한다.Additionally, the electrode is laminated on the back of the diffuser, the separator is laminated between a pair of electrodes, and a gasket is installed to prevent water leakage between the bipolar plate, the thin film bipolar plate, and the diffuser. It is characterized by
바람직하게는, 상기 셀 프레임 지지체는 음극 실과 양극 실이 별도로 구성된 것을 특징으로 한다.Preferably, the cell frame support is characterized by having separate cathode chambers and anode chambers.
본 발명은 복수의 상기 단위 스택들을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임 및 복수의 상기 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 가압 적층하여 모듈화시키는 필터프레스 가압 기구를 더 포함하고, 상기 필터프레스 가압 기구는, 상기 한 쌍의 모듈 프레임 중 하나의 모듈 프레임을 다른 하나의 모듈 프레임 측으로 가압하는 유압 피스톤; 및 상기 한 쌍의 모듈 프레임 중 하나의 모서리에 각각 배치되어 모듈 프레임과 단위 스택 사이의 간격 및 압력을 개별적으로 조절하는 조절 나사를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention further includes a pair of module frames accommodating the plurality of unit stacks and a filter press pressing mechanism for modularizing the plurality of unit stacks by pressurizing and stacking them in a filter press method, wherein the filter press pressing mechanism includes the above one. a hydraulic piston that presses one module frame of the pair of module frames against the side of the other module frame; and an adjustment screw disposed at a corner of one of the pair of module frames to individually adjust the gap and pressure between the module frame and the unit stack.
바람직하게는, 모듈화된 단위 스택들의 길이방향을 따라 배치된 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드를 더 포함하고, 상기 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드는 서로 독립적으로 배치되어 상기 단위 스택들과 연결된 것을 특징으로 한다.Preferably, it further includes a hydrogen discharge manifold, an oxygen discharge manifold, a hydrogen electrolyte inlet manifold, and an oxygen electrolyte inlet manifold disposed along the longitudinal direction of the modularized unit stacks, the hydrogen discharge manifold comprising: The oxygen discharge manifold, the hydrogen electrolyte inlet manifold, and the oxygen electrolyte inlet manifold are arranged independently of each other and connected to the unit stacks.
바람직하게는, 상기 바이폴라 플레이트는 적어도 하나 이상의 탄성 구조체를 갖는 접촉면을 구비하고, 상기 탄성 구조체는, 상기 바이폴라 플레이트의 접촉면으로부터 절곡되어 연장되고 상기 접촉면과 소정간격 이격되어 나란하게 배치되는 금속 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the bipolar plate has a contact surface having at least one elastic structure, and the elastic structure includes a metal plate bent and extended from the contact surface of the bipolar plate and disposed in parallel with the contact surface at a predetermined distance. It is characterized by:
더 바람직하게는, 상기 탄성 구조체는, 상기 바이폴라 플레이트의 접촉면과 상기 금속 플레이트 사이에 설치되어 상기 금속 플레이트를 탄성 복원시키는 스프링; 및 상기 바이폴라 플레이트의 접촉면으로부터 상기 금속 플레이트 측으로 연장되고, 외주에 상기 스프링이 설치되어 상기 스프링의 압축량을 제한하는 스프링 고정체를 포함하는 것을 특징으로 한다.More preferably, the elastic structure includes: a spring installed between the contact surface of the bipolar plate and the metal plate to elastically restore the metal plate; and a spring fixture extending from the contact surface of the bipolar plate toward the metal plate and having the spring installed on the outer periphery to limit the amount of compression of the spring.
본 발명에 따르면, 1 ~ 100개 이상의 전극과 분리막이 연결된 구조로 하나의 단위 스택을 구성하고, 1 ~ 200개 이상의 단위 스택을 필터프레스 방식으로 연속적으로 연결하여 하나의 수전해 스택 조립체를 구성할 수 있다. 이에 따라, 원하는 발전 용량을 만족하는 다양한 용량의 수전해 스택 조립체를 제조할 수 있다. 이에 따라, 원하는 발전 용량을 만족하는 다양한 용량의 수전해 스택 조립체를 자유롭게 조절하여 구성할 수 있어, 장치의 크기를 줄이고 제조 비용을 절감할 수 있다. According to the present invention, one unit stack is composed of 1 to 100 or more electrodes and a separator connected, and 1 to 200 or more unit stacks are continuously connected using a filter press to form one water electrolysis stack assembly. You can. Accordingly, it is possible to manufacture water electrolysis stack assemblies of various capacities that satisfy the desired power generation capacity. Accordingly, water electrolysis stack assemblies of various capacities that satisfy the desired power generation capacity can be freely adjusted and configured, thereby reducing the size of the device and reducing manufacturing costs.
또한, 본 발명에 따르면, 각각의 단위 스택의 고장 및 성능 저하시에 간편하게 필터프레스 가압 기구의 압력을 해제하고 해당 단위 스택 만을 분리하여 간단하게 수리 또는 교체할 수 있다. In addition, according to the present invention, when each unit stack fails or performance deteriorates, the pressure of the filter press pressurizing mechanism can be easily released and only the corresponding unit stack can be separated and easily repaired or replaced.
또한, 본 발명에 따르면, 전해질, 수소, 산소 이송을 위한 매니폴드들이 서로 독립적으로 하나의 연속된 유로 구조를 가지고, 연속적인 바이폴라 전류 인가 방식을 적용함으로써, 장치의 부피 및 전력 소모량을 감소시킬 수 있다. In addition, according to the present invention, the manifolds for transporting electrolyte, hydrogen, and oxygen have a continuous flow path structure independently of each other, and by applying a continuous bipolar current application method, the volume and power consumption of the device can be reduced. there is.
도 1은 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체의 단위 스택을 도시한 분해 사시도,
도 2는 도 1의 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 적층한 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체의 바이폴라 플레이트를 도시한 사시도,
도 4는 도 3의 바이폴라 플레이트를 도시한 측면도,
도 5는 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체의 셀 프레임 지지체를 도시한 평면도.1 is an exploded perspective view showing a unit stack of an alkaline water electrolysis stack assembly according to the present invention;
Figure 2 is a perspective view showing an alkaline water electrolysis stack assembly according to the present invention in which the unit stacks of Figure 1 are stacked by a filter press method;
Figure 3 is a perspective view showing a bipolar plate of an alkaline water electrolysis stack assembly according to the present invention;
Figure 4 is a side view showing the bipolar plate of Figure 3;
Figure 5 is a plan view showing the cell frame support of the alkaline water electrolysis stack assembly according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성 요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.Hereinafter, a preferred embodiment of an alkaline water electrolysis stack assembly according to the present invention will be described with reference to the attached drawings. For reference, in describing the present invention below, terms referring to the components of the present invention are named in consideration of the function of each component, and should not be understood as limiting the technical components of the present invention. It will be.
도 1 내지 2를 참조하면, 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체(10)는 복수의 단위 스택(100)으로 구성되며, 각각의 단위 스택(100)은 분리막(110)을 기준으로 캐소드(cathod) 측과 애노드(anode) 측에 각각 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130), 및 전극(140)이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루도록 구성된다. 그리고, 이 복수의 단위 스택들(100)은 필터프레스 방식으로 적층되어 모듈화된다.Referring to Figures 1 and 2, the alkaline water
구체적으로, 단위 스택(100)은 한 쌍의 셀 프레임 지지체(150)를 포함하고, 이 셀 프레임 지지체(150) 안에는 캐소드 측의 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130) 및 전극(140) 그리고 애노드 측의 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130) 및 전극(140)이 서로 대칭을 이루어 적층된다. 여기서, 바이폴라 플레이트(120)는 외부의 전류를 전극(140)에 인가하는 부스바 역할을 하는 금속 플레이트로서, 필터프레스 방식에서 각 단위 스택(100) 간의 전류를 연결해주는 역할을 한다. 또한, 확산체(130)는 분리막(110)으로부터 애노드 측의 전극(140) 및 캐소드 측의 전극(140)으로 공급되는 유체를 고르게 확산시키는 역할을 한다.Specifically, the
바이폴라 플레이트(120)와 확산체(130) 사이에는 박막 바이폴라 플레이트(160)가 삽입될 수 있다. 이 박막 바이폴라 플레이트(160)는 바이폴라 플레이트(120)로 인가된 전류를 내부의 전극(140)으로 연결해주는 역할을 하며, SUS, 니켈 도금, 니켈 플레이트, 코팅 및 플라즈마를 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 박막 바이폴라 플레이트(160)의 배면에는 확산체(130)가 적층된다. 이 확산체(130)는 메쉬, 니트, 폼 방식으로 제조된 다공체이며, 예를 들면 10㎛ ~ 10mm의 기공 및 0.1mm ~ 20mm의 두께를 가질 수 있다.A thin film bipolar plate 160 may be inserted between the
한편, 전극(140)은 확산체(130)의 배면에 적층되고, 분리막(110)은 이 한 쌍의 전극(140) 사이에 적층된다. 여기서, 전극(140)은 니켈, 철 등을 기초로 Ni, Fe, Co, Mo 등과 같은 전이 금속이 주로 사용될 수 있고, 이 전이 금속을 혼합한 혼합 산화물 등을 각종 금속의 다공체(타공판, 메쉬, 익스펜디드 메탈, 니트) 위에 코팅, 플라즈마 또는 도금 가공하여 제조될 수 있다. 그리고, 전극들(140) 사이에 적층되는 분리막(110)은 강염기 환경에서의 내구성 확보를 위해 세라믹 입자를 분산시킨 다공성 복합체가 사용될 수 있고, 예를 들면 PPS, PPSU 고분자 매트릭스 지지체 위에 지르코늄 혼합물을 분사시켜 제조될 수 있다. 추가적으로, 바이폴라 플레이트(120), 박막 바이폴라 플레이프(160) 및 확산체(130) 사이에는 누수를 방지하기 위한 가스켓(170)이 설치될 수 있다.Meanwhile, the electrode 140 is stacked on the back of the diffuser 130, and the separator 110 is stacked between the pair of electrodes 140. Here, the electrode 140 can mainly be made of transition metals such as Ni, Fe, Co, Mo, etc. based on nickel, iron, etc., and mixed oxides mixed with these transition metals can be used as porous bodies (perforated plates, meshes, etc.) of various metals. Expanded metal, knit) can be manufactured by coating, plasma, or plating processing. In addition, the separator 110 stacked between the electrodes 140 may be a porous composite in which ceramic particles are dispersed to ensure durability in a strong base environment. For example, a zirconium mixture may be sprayed on a PPS or PPSU polymer matrix support. It can be manufactured by: Additionally, a gasket 170 may be installed between the
한편, 셀 프레임 지지체(150)는 PS, PESU, PP, PPSU, SUS, PTFE 등의 강 알칼리에 내식성이 있는 소재를 사용할 수 있으며, 한 쌍으로 구성되어 수소와 산소 배출을 위한 유로 및 전해질의 유입과 배출을 위한 유로를 포함하여 구성된다. 이 한 쌍의 셀 프레임 지지체(150)는 분리막(110)을 기준으로 대칭으로 적층되며, 내부에 전술한 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130), 전극(140), 분리막(110), 가스켓(170)을 연결해주는 역할을 한다. 특히, 한 쌍의 셀 프레임 지지체(150) 내부에 적층되는 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130), 전극(140), 분리막(110), 가스켓(170)은 제로-갭(zero-gap) 방식으로 적층 되어, 전류 연결을 원할하게 하며, 낮은 저항으로 전류 손실을 감소시키는 효과를 발휘한다.Meanwhile, the
바람직하게는, 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체는 복수의 단위 스택들(100)을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임(200) 및 복수의 단위 스택들(100)을 필터프레스 방식으로 가압 적층하여 모듈화시키는 필터프레스 가압 기구(300)를 포함한다.Preferably, the alkaline water electrolysis stack assembly according to the present invention is formed by pressurizing and stacking a pair of module frames 200 accommodating a plurality of unit stacks 100 and a plurality of unit stacks 100 using a filter press method. It includes a filter press pressurizing mechanism 300 that is modularized.
한 쌍의 모듈 프레임(200)은 단위 스택들(100)을 단일 셀 구조로 만들기 위해 내부의 부품들, 즉 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130), 전극(140), 분리막(110), 가스켓(170)을 수용하는 외부 케이스 역할을 한다. 이 모듈 프레임(200)은 PS, PESU, PP, PPSU, SUS, PTFE 등 강 알칼리에 내식성이 있는 소재일 수 있으며, 한 쌍으로 구성되어 볼트와 너트를 이용하여 체결되는 구조를 갖는다.A pair of module frames 200 includes internal parts to make the unit stacks 100 into a single cell structure, namely, a
필터프레스 가압 기구(300)는 유압 피스톤(310) 및 조절 나사들(320)을 포함한다. 유압 피스톤(310)은 한 쌍의 모듈 프레임(200) 중 하나의 모듈 프레임(예를 들면, 애노드 측 모듈 프레임)을 다른 하나의 모듈 프레임(예를 들면, 캐소드 측 모듈 프레임) 측으로 가압하는 역할을 한다. 그리고, 조절 나사(320)는 한 쌍의 모듈 프레임(300) 중 하나(예를 들면, 애노드 측 모듈 프레임)의 모서리에 각각 배치되어 모듈 프레임(300)과 단위 스택(100) 사이의 간격 및 압력을 개별적으로 조절하는 역할을 한다.The filter press pressing mechanism 300 includes a
여기서, 유압 피스톤(310)은 단위 스택들(100) 그리고 단위 스택들(100) 내부의 부품들 사이의 압력을 조절하는 역할을 하며, 조절 나사들(320)은 단위 스택들(100)의 평탄면을 조절함으로써, 단위 스택들(100) 사이의 세밀한 압력 조절이 가능하다.Here, the
특히, 본 발명에 따르면, 1 ~ 100개 이상의 전극과 분리막이 연결된 구조로 하나의 단위 스택(100)을 구성하고, 1 ~ 200개 이상의 단위 스택들(100)을 필터프레스 방식으로 연속적으로 연결하여 하나의 수전해 스택 조립체(10)를 구성할 수 있다. 이에 따라, 원하는 발전 용량을 만족하는 다양한 용량의 수전해 스택 조립체를 자유롭게 조절하여 구성할 수 있다. 또한, 각 단위 스택(100)의 고장 및 성능 저하시에 간편하게 필터프레스 가압 기구의 압력을 해제하고 해당 단위 스택(100)만을 분리하여 수리 또는 교체할 수 있다. In particular, according to the present invention, one
바람직하게는, 모듈화된 단위 스택들(100)의 길이방향을 따라, 즉 수전해 스택 조립체(10)의 길이방향을 따라 수소 배출 매니폴드(20), 산소 배출 매니폴드(30), 수소부 전해질 유입 매니폴드(40), 및 산소부 전해질 유입 매니폴드(50)가 서로 독립적으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 2를 기준으로, 수소 배출 매니폴드(20)는 수전해 스택 조립체(10)의 좌측 상부에 배치되고, 산소 배출 매니폴드(30)는 수전해 스택 조립체(10)의 우측 상부에 배치되고, 수소부 전해질 유입 매니폴드(40)는 수전해 스택 조립체(10)의 우측 하부에 배치되고, 산소부 전해질 유입 매니폴드(50)는 수전해 스택 조립체(10)의 좌측 하부에 배치될 수 있다. 그리고, 이 매니폴드들(20, 30, 40, 50)은 서로 독립적으로 배치되어 단위 스택들(100)과 개별적으로 연결된다. 이러한 매니폴드들(20, 30, 40, 50)의 배치 및 연결 구조에 의해, 제품의 부피 및 전력 소모량을 줄이고, 션트 전류에 의한 장비의 손상을 방지할 수 있다.Preferably, along the longitudinal direction of the modularized unit stacks 100, that is, along the longitudinal direction of the water
한편, 필터프레스 방식의 수전해 스택의 경우, 각각의 단위 스택에 모노폴라 방식으로 전류를 인가하면 인가되는 전류의 합이 바이폴라 방식에 비해 훨씬 높은 전압을 발생시킨다. 이 때문에, 본 발명에서는 바이폴라 방식의 스택 적층 방식을 채용한다. 물론, 단위 스택(100)을 다중으로 사용시 모노폴라 방식의 전류 인가도 가능하다.Meanwhile, in the case of a filter press type water electrolysis stack, when current is applied to each unit stack in a monopolar manner, the sum of the applied currents generates a much higher voltage than in the bipolar type. For this reason, the present invention adopts a bipolar stacking method. Of course, when multiple unit stacks 100 are used, monopolar current application is also possible.
또한, 필터프레스 방식에서 각각의 단위 스택(100)의 적층 시 접촉면들의 평탄 불균형은 높은 저항값을 나타내며, 이로 인해 열이 발생하고 제품 성능을 저하시킨다. 본 발명은 적층 시 부품 접촉면들의 평탄 불균형을 최소화하기 위한 구조를 갖는다. In addition, in the filter press method, when each
구체적으로, 도 3과 4를 참조하면, 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체의 바이폴라 플레이트(120)는 적어도 하나 이상의 탄성 구조체(180)를 갖는 접촉면(121)을 구비한다. 이 탄성 구조체(180)는 바이폴라 플레이트(120)의 접촉면(121)으로부터 절곡되어 연장된 금속 플레이트(181)를 포함할 수 있다. 또한, 이 금속 플레이트(181)는 바이폴라 플레이트(120)의 접촉면(121)과 소정간격 이격되어 나란하게 배치된다.Specifically, referring to FIGS. 3 and 4, the
이러한 바이폴라 플레이트(120)의 탄성 구조체(180)의 금속 플레이트(181)는 판 스프링과 같은 형태로 소정의 탄성을 가지므로, 단위 스택(100)의 바이폴라 플레이트(120)와 전극(140)이 충분한 면적과 힘으로 접속될 수 있어 내부 저항을 감소시킬 수 있다.Since the
바람직하게는, 바이폴라 플레이트(120)의 탄성 구조체(180)는 금속 플레이트(181)의 탄성 복원과 금속 플레이트(181)의 탄성 변형량을 제한하기 위해 스프링(182)과 스프링 고정체(183)를 더 포함할 수 있다.Preferably, the
구체적으로, 스프링(182)은 바이폴라 플레이트(120)의 접촉면(121)과 금속 플레이트(181) 사이에 설치되어 금속 플레이트(181)를 탄성 복원시키는 역할을 한다. 이 스프링(182)은 판 스프링, 인장 스프링, 압축 스프링 등 다양한 형태의 탄성 부재일 수 있다. 그리고, 스프링 고정체(183)는 바이폴라 플레이트(120)의 접촉면(121)으로부터 금속 플레이트(181) 측으로 연장되고, 그 외주에 스프링(182)이 설치되어 스프링(182)의 압축량을 제한함으로써, 금속 플레이트(181)의 탄성 변형량을 제한하는 역할을 한다.Specifically, the
예를 들면, 탄성 구조체(180)의 금속 플레이트(181)는 스프링(182)과 스프링 고정체(183)에 의해 설정 값인 1 ~ 5mm 이내에서 압축과 복원을 반복할 수 있다. 또한, 스프링(182)은 단위 스택(100)의 크기에 따라 5 ~ 50개로 구성되어 적용될 수 있고, 스프링(182)의 설치 위치 변경을 통해 금속 플레이트(181)의 압축 범위를 설정할 수 있다.For example, the
도 5를 참조하면, 내부 전해질이나 기체의 흐름을 유도하는 역할을 하는 단위 스택(100)의 셀 프레임 지지체(150)는 음극 실(151)과 양극 실(152)이 별도로 구성되어 전해 공급이 이루어짐으로써, 션트 전류에 의한 제품의 손상이나 성능 저하를 방지할 수 있다.Referring to FIG. 5, the
이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above merely exemplify the technical idea of the present invention, and the scope of protection of the present invention should be interpreted in accordance with the scope of the patent claims below. In addition, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention, and all technical ideas within the scope equivalent to the present invention shall be construed as the scope of the present invention. It should be interpreted as being included in the scope of rights.
10: 스택 조립체 20: 수소 배출 매니폴드
30: 산소 배출 매니폴드 40: 수소부 전해질 유입 매니폴드
50: 산소부 전해질 유입 매니폴드 100: 단위 스택
110: 분리막 120: 바이폴라 플레이트
130: 확산체 140: 전극
150: 셀 프레임 지지체 160: 박막 바이폴라 플레이트
170: 가스켓 180: 탄성 구조체
181: 탄성 플레이트 182: 스프링
183: 스프링 고정체 200: 모듈 프레임
300: 필터프레스 가압 기구 310: 유압 피스톤
320: 조절 나사 10: Stack assembly 20: Hydrogen discharge manifold
30: Oxygen discharge manifold 40: Hydrogen electrolyte inlet manifold
50: Oxygen electrolyte inlet manifold 100: Unit stack
110: Separator 120: Bipolar plate
130: diffuser 140: electrode
150: Cell frame support 160: Thin film bipolar plate
170: gasket 180: elastic structure
181: elastic plate 182: spring
183: spring fixture 200: module frame
300: Filter press pressurizing mechanism 310: Hydraulic piston
320: adjustment screw
Claims (9)
상기 바이폴라 플레이트는 적어도 하나 이상의 탄성 구조체를 갖는 접촉면을 구비하고, 상기 탄성 구조체는,
상기 바이폴라 플레이트의 접촉면으로부터 절곡되어 연장되고 상기 접촉면과 소정간격 이격되어 나란하게 배치되는 금속 플레이트;
상기 바이폴라 플레이트의 접촉면과 상기 금속 플레이트 사이에 설치되어 상기 금속 플레이트를 탄성 복원시키는 스프링; 및
상기 바이폴라 플레이트의 접촉면으로부터 상기 금속 플레이트 측으로 연장되고, 외주에 상기 스프링이 설치되어 상기 스프링의 압축량을 제한하는 스프링 고정체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
An alkaline water electrolyzer comprising a unit stack in which a bipolar plate, a diffuser, and an electrode are sequentially arranged on the cathode side and the anode side with respect to the separator to be symmetrical to each other, and modularized by stacking a plurality of the unit stacks using a filter press method. As a stack assembly,
The bipolar plate has a contact surface having at least one elastic structure, and the elastic structure includes,
a metal plate bent and extended from the contact surface of the bipolar plate and disposed in parallel with the contact surface at a predetermined distance;
a spring installed between the contact surface of the bipolar plate and the metal plate to elastically restore the metal plate; and
An alkaline water electrolysis stack assembly, comprising a spring fixture extending from the contact surface of the bipolar plate toward the metal plate and having the spring installed on an outer circumference to limit the amount of compression of the spring.
상기 단위 스택은 한 쌍의 셀 프레임 지지체를 포함하고, 상기 한 쌍의 셀 프레임 지지체 사이에는 캐소드 측의 상기 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극 그리고 애노드 측의 상기 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극이 제로-갭 방식으로 적층되는 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
According to paragraph 1,
The unit stack includes a pair of cell frame supports, and between the pair of cell frame supports, the bipolar plate, diffuser, and electrode on the cathode side and the bipolar plate, diffuser, and electrode on the anode side have a zero-gap. An alkaline water electrolysis stack assembly, characterized in that it is stacked in a stacked manner.
상기 바이폴라 플레이트와 상기 확산체 사이에는 박막 바이폴라 플레이트가 삽입되고, 상기 박막 바이폴라 플레이트의 배면에 상기 확산체가 적층되고, 상기 확산체는 다공체이며, 상기 확산체는 10㎛ ~ 10mm의 기공 및 0.1mm ~ 20mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
According to paragraph 2,
A thin film bipolar plate is inserted between the bipolar plate and the diffuser, the diffuser is laminated on the back of the thin film bipolar plate, the diffuser is a porous material, and the diffuser has pores of 10 μm to 10 mm and 0.1 mm to 0.1 mm. An alkaline water electrolysis stack assembly, characterized in that it has a thickness of 20 mm.
상기 전극은 상기 확산체의 배면에 적층되고, 상기 분리막은 한 쌍의 전극 사이에 적층되며, 상기 바이폴라 플레이트, 상기 박막 바이폴라 플레이트 및 상기 확산체 사이의 누수를 방지하기 위한 가스켓이 설치되는 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
According to paragraph 3,
The electrode is laminated on the back of the diffuser, the separator is laminated between a pair of electrodes, and a gasket is installed to prevent water leakage between the bipolar plate, the thin film bipolar plate, and the diffuser. Alkaline water electrolysis stack assembly.
상기 셀 프레임 지지체는 음극 실과 양극 실이 별도로 구성된 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
According to paragraph 2,
The cell frame support is an alkaline water electrolysis stack assembly, characterized in that the cathode chamber and the anode chamber are separately constructed.
복수의 상기 단위 스택들을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임 및 복수의 상기 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 가압 적층하여 모듈화시키는 필터프레스 가압 기구를 더 포함하고,
상기 필터프레스 가압 기구는,
상기 한 쌍의 모듈 프레임 중 하나의 모듈 프레임을 다른 하나의 모듈 프레임 측으로 가압하는 유압 피스톤; 및
상기 한 쌍의 모듈 프레임 중 하나의 모서리에 각각 배치되어 모듈 프레임과 단위 스택 사이의 간격 및 압력을 개별적으로 조절하는 조절 나사를 포함하는 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
According to paragraph 1,
It further includes a pair of module frames accommodating the plurality of unit stacks and a filter press pressing mechanism for modularizing the plurality of unit stacks by pressing and stacking them in a filter press method,
The filter press pressurizing mechanism is,
a hydraulic piston that presses one module frame of the pair of module frames toward the other module frame; and
An alkaline water electrolysis stack assembly, characterized in that it includes an adjustment screw disposed at a corner of one of the pair of module frames to individually adjust the gap and pressure between the module frame and the unit stack.
모듈화된 단위 스택들의 길이방향을 따라 배치된 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드를 더 포함하고,
상기 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드는 서로 독립적으로 배치되어 상기 단위 스택들과 연결된 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
According to clause 6,
It further includes a hydrogen discharge manifold, an oxygen discharge manifold, a hydrogen electrolyte inlet manifold, and an oxygen electrolyte inlet manifold disposed along the longitudinal direction of the modularized unit stacks,
An alkaline water electrolysis stack assembly, wherein the hydrogen discharge manifold, oxygen discharge manifold, hydrogen electrolyte inlet manifold, and oxygen electrolyte inlet manifold are arranged independently of each other and connected to the unit stacks.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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E902 | Notification of reason for refusal | ||
E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
GRNT | Written decision to grant |