KR20090087646A - 전기화학셀 용 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이온 교환막(또는 고분자 고체 전해질)을 가지는 전기화학 장치에 있어서, 전기화학 단위셀을 분리하는 분리판과 관련한 것이다. 더욱 상세히는 분리판 표면에 교차되게 돌출부를 제공하여 전해질 및 반응 생성물을 전해셀 내에서 균일하게 혼합하여 전해셀 내의 온도, 농도 및 전류분포를 균일하게 한다. 이로서, 이온교환막 및 전극의 성능 개선 및 내구성을 증진하게 하는 효과를 얻을 수 있다

분리판, 전기화학 셀, 돌출부, 수전해, 연료전지

Description

전기화학셀 용 분리판 {The Separator for Electrochemical Unit Cells}

본 발명은 수전해 장치, 연료 전지 및 이를 포함하는 전기화학 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 단위 전기화학 셀을 구분하는 분리하는 분리판에 관한 것이다. 보다 더욱 상세하게는 전기화학 셀내 반응물 또는 생성물의 혼합을 촉진하여, 전기화학 셀내 온도, 농도 및 전류밀도의 분포를 균일하게 하며, 이로서 단위 전기화학 셀의 중요한 구성 요소인 이온교환막과 전극의 성능 및 내구성 개선을 위한 교차되는 돌출 구조를 갖는 분리판에 관한 것이다.

전기화학 셀은 에너지변환 장치로서, 예를들면 물과 같은 반응물을 이용하여 산소나 수소 가스를 만드는 전기분해 셀과 산소와 수소 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지으로 구분한다.

도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀의 구조도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 물(H20)이 양극촉매(104)(산소극)로 공급되면 전기화학 반응에의해 산소가스(O2)와 전자(e-) 그리고 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해된다. 이 때, 물(H20)의 일부분은 산소가스(O2)와 함께 전기분해 셀(100)의 생성물 배출구(126)를 통해 외부로 유출된다. 그리고 분 해된 수소이온(H+)은 이온 교환막(102)을 통과하여 음극촉매(106)(수소극)으로 이동하여, 양극촉매(104)와 음극촉매(106) 사이에 연결된 외부회로(도시하지 않음)를 따라 이동한 전자(e-)와 반응하여 수소가스(H2)가 된다. 그리고 수소가스(H2) 및 수소이온(H+)과 동반하여 이온 교환막(102)을 통과한 물(H20)은 전기분해 셀(100)의 생성물 배출구(124)를 통해 외부로 유출된다. 이 때, 양극촉매(104)와 음극촉매(106)에서 각각 일어나는 전기화학적 반응을 표현하면 반응식 1, 2와 같다.

2H2O → 4H+ + 4e- + O2 (양극)

4H+ + 4e- → 2H2 (음극)

연료전지는 상기 물의 전기분해 반응 메커니즘과 반대로 반응이 일어난다. 즉, 연료전지에서는 수소, 메탄올(methanol) 또는 다른 수소 연료원과 산소가 반응하여 전기를 생산한다. 이 때, 연료전지에서 일어나는 일반적인 반응을 표현하면 반응식 3, 4와 같다.

2H2 → 4H+ + 4e- (양극)

4H+ + 4e- + O2 → 2H2O (음극)

전기분해셀(100)을 물을 전기분해하는 전기분해 셀로 이용된다면 약 0.05A/cm2 - 4.3A/cm2의 전류밀도에서 약 1.48volts - 3.0 volts의 전압을 인가하 고, 전기분해셀(100)을 연료전지로 이용된다면 약 0.0001A/cm2 - 1.0A/cm2의 전류밀도와 약 0.4volts - 1.1volts의 전압을 얻을 수 있다.

여기서 이온 교환막(102)의 양 측면에 양극촉매(104)와 음극촉매(106))가 형성된 것을 막전극접합체(101, Membrane Electrode Assembly, 이하 ‘MEA’라 칭함)라고 한다.

단위 전기분해 셀(100)은 MEA(101), 전자 이동와 반응물 및 생성물의 공급과 배출의 기능을 가지는 상기 분리판(112,114), 제1, 제2 전류 공급판(108,110), 그리고 실링목적의 가스켓(120)으로 구성된다.

상기 MEA(101) 및 분리판(112,114)의 상단 및 하단에는 반응물의 공급을 위한 공급로(112)과 생성물의 배출을 위한 배출로(124,126)이 있다.

제1, 제2 전류 공급판(108,110)은 전극촉매(104, 106)과 분리판(112,114) 사이에 위치하며, 크기는 전극촉매(204, 206)와 동일하다. 제1, 제2 전류 공급판(108,110)은 전해질(예를들면, 물)을 MEA(101)에 균등하게 공급하고, 전극촉매(104, 106)에서 발생한 생성물(수소와 산소)을 분리판(112,114)의 유로(116,118)로 이동하게 하는 기능을 가진다. 따라서, 제1, 제2 전류 공급판(108,110)의 구조는 다공체의 구조를 가지는 것이 바람직하다.

분리판(112,114)에는 단위 전기화학 셀 사이의 분리 기능을 가지며, 또한 반응물 및 생성물의 유체의 유동을 돕는 유로(Flow Field)(116, 118)를 가진다. 분리판(112)의 유동통로(116)에 반응물(예를들면, 물)이 공급되면, 이와 접촉하는 MEA(101)의 전극촉매(104)측은 양극(산화 전극, Anode)이 되며, 타측 분리판(114) 의 유동통로(118)에는 생성물(예를들면, 수소)과 양극측에서 이동한 물이 유동하고, 이와 접촉하는 MEA(101)의 전극촉매(106)은 음극(환원 전극, Cathode)이 된다.

도 2는 전형적인 전기화학 단위 셀을 적층한 스택과 관련한 구성관계를 도시한 개략도이다. 여기서 스택이란 원하는 가스, 예를들면 수소 또는 산소를 다량으로 얻기 위해서는 복수개의 단위 전기화학 셀을 적층하는데, 단위 전기화학 셀을 적층한 것을 스택이라고 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 스택(200)은 도 1에서 언급한 전기화학 단위셀(202, 도1의 100)이 일렬로 다수 개 적층되는 형태를 갖도록 배열하고, 배열의 외측 양쪽에는 전류를 공급하기 위한 한 쌍의 전류 공급판(204), 스택을 지지하고 전기화학 단위셀간에 밀착을 목적으로 비전도성 재질의 앤드 플레이트(206,end plate)로 구성되며, 이들은 볼트(208)와 너트(210)로 조이는 타이로드(tie-rod) 방식으로 조립된다.

스택(200) 내부의 각각의 전기화학 단위셀(202)에는 반응물을 공급하는 반응물 공급라인(212)과 생성물의 배출을 위한 생성물 배출라인(214)가 구비된다.

전류 공급판(204)은 구리 재질과 같은 전도성이 뛰어난 금속으로 제작되어 전류를 공급하는 기능을 가지는 것 외에, 다수의 단위 셀(202)을 고정하는 플레이트의 역할도 한다.

공급라인(210)에 반응물(예를들면 물)이 공급되면서, 전류 공급판(204)에 전류를 인가하면 각각 전기화학 단위 셀(202)에서 전기화학 반응이 일어나게 된다.

도 3은 도 1과 도 2에서 서술한 기존의 전기화학 셀의 분리판(300)의 유로를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 반응물은 A로 유입되어 전기화학 반응에의해 생성된 생성물과 함께 B로 배출되는 구조를 가지며, A와 B를 따라 생성된 유로(302)를 따라, 반응물과 생성물이 이동을 하게 된다. 이때, A 지역 근방에서는 온도가 낮고, 반응물의 농도가 높게 유입되며, A에서 B로 이동을 하면서, B 지역 근방에서는 온도가 높고, 반응물의 농도가 낮고, 생성물(전기분해에 의해서 발생하는 수소와 산소)의 농도가 높게 된다. 이에, A 지역 근방에서는 전도도가 높고, B 지역 근방에서는 전도도가 낮게 되며, 단위 전기화학 셀내에서 전류 흐름 분포는 전도도가 높은 A 지역 근방에서는 많이 흐르고, 전도도가 낮은 B 지역 근방에서는 전류가 적게 흐르게 되어, 단위 전기화학 셀내에서 전류 흐름 분포는 불균일한 편차를 가지게 된다.

이와 같은 불균일성이 가속화되면 A 지역 근방에서는 계속 온도가 높아지고, 계속 전도도는 낮아지고, 전류는 더 많이 흐르게 되는 자연 발산 현상이 일어나게 되어, 이는 MEA의 이온교환막에 손상을 일으켜 MEA 내구성 및 성능에 문제를 일으킨다.

예를 들면 기존의 분리판을 적용한 전기화학 단위셀이 대형인 경우 수직 방향으로 0.5m 길이를 가지는 경우 A와 B의 전류 밀도 편차는 5%, 온도 편차는 3C 가 발생한다. 따라서, 전기화학 셀 내에서 전해질의 혼합을 통한 농도 균일화는 매우 중요한 인자이다.

이와 관련이 있는 또다른 기술은 미국특허 출원번호 6,099,716호(출원인: 프로톤에너지 시스템사)가 있다. 이 발명에 의하면, 전기분해 셀내에서의 균일한 혼합효과를 위해 다수의 반응물 유입구와 생성물 출구를 갖는 것이 특징이다. 그러나, 이같은 방법은 전 셀내에서의 전해질의 균일한 혼합효과를 얻을 수 있으나, 셀프레임의 구조가 복잡하고, 다수의 반응물 유입구로 균일한 유량을 공급하기 위한 제어가 어려운 단점이 있다.

[문헌 1] 미국특허 출원번호 6,099,716호

따라서 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 제작이 쉽고, 1개의 반응물 입구와 1개의 생성물 출구를 가지며, 전기화학 셀 내의 유체 흐름장(Flow Filed)에는 유체들이 균일하게 혼합되어, 전기화학 셀 내의 농도 분포, 온도 분포 및 전류 밀도 분포를 균일하게 하는 분리판을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 분리판은 반응물의 공급과 생성물의 배출을 위한 유체의 취급이 간단하도록 1 개의 반응물 입구와 1개의 생성물 출구를 가지는 구조를 제공하며,

이에 더하여, 본 발명은 전기화학 셀 내에서 반응물과 생성물이 공존하는 유체들이 균일하게 혼합되어, 전기화학 셀 내의 농도 분포, 온도 분포 및 전류 밀도 분포를 균일하게 갖도록 돌출부를 가지는 분리판의 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 분리판은 1개의 반응물 입구와 1개의 생성물 출구를 가지므로, 반응물의 공급과 생성물의 배출을 위한 유체의 취급이 간단하다.

또한 본 발명의 돌출부를 가지는 분리판은 돌출부에서 유체를 미세한 단위로 분해하고, 합쳐지게 유도하여, 단위 전해셀 내의 전류 밀도, 온도 및 전해질 분포를 균일하게 한다.

이에, 이 발명의 분리판은 지금까지 기술과 한계로 나타났던, 전기화학 셀의 핵심요소인 MEA의 내구성 및 성능을 향상할 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 교차되는 돌출부를 갖는 분리판의 정면 구조도이며, 도 5는 도 4 구조도의 AB선을 기준으로 한 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 분리판(400)은 반응물이 유입하는 유입구(402), 생성물이 배출되는 배출구(404), s선을 경계로 하는 가스켓으로 덮이고 비 반응영역인 (가)와 전기화학적 반응이 일어나고, 반응물과 생성물가 공존하면서 이동하는 유체 흐름장 (나)로 구성된다.

비 반응영역인 (가)에는 다수의 볼트등의 전기화학셀 고정을 위한 구멍(414)가 다수 있다. 전기화학적 반응이 일어나고, 유체가 유동하는 유체 흐름장 (나)에는 반응물 유입구(402)에서 공급되는 반응물을 분산하여 유체흐름장(나)로 공급하는 분배부(410)와 유체흐름장(나)에서 생성된 생성물을 모아 생성물 배출구(404)로 공급해주기 위한 모집부(412)가 있으며, 유체 흐름장(나)에서 반응물과 생성물의 혼합을 돕는 다수의 돌출부(408)를 갖는다.

돌출부(408)의 배열은 입구측에서 부터 제 1열 돌출부, 제 2열 돌출부, ... , 제 n-1열 돌출부, 제 n열 돌출부, ... , 출구측을 제 N열 돌출부로 하여 구성된다. 임의의 제 n-1열 돌출부와 제 n열 돌출부 사이는 서로 교차하게 위치한다. 임의의 위치 n에 위치한 돌출부 아래에서 유체가 유입되면 돌출부에서 유체는 분리되어 2개의 흐름으로 분리된 후 옆에 위치한 돌출부에서 분리된 흐름과 합쳐지며 다시 이는 n+1에 위치한 돌출부에서 다시 2개의 흐름으로 분리된다. 이와 같은 방법에의하면 N 번째에서는 2N-1번의 혼합을 거치면서 완전한 혼합을 유도할 수 있다.

도면 5에서와 같이 돌출부의 높이(z)는 가공 난이도와 단위 전기화학 셀의 두께를 고려할 때 1~10 mm가 바람직하다. 1 mm이하는 가공 난이도와 20 bar 정도의 고압으로 운영되는 전기화학셀의 특성을 고려할 때 안전상의 문제가 있으며 10 mm 이상에서는 단위 전기화학셀의 두께가 너무 두꺼워져 비용증가의 문제와 스택을 조립할 때 많은 문제를 야기한다.

돌출부의 가로(x)와 세로(y)는 MEA와 마주보는 면으로 유체의 유동 유량과 전류밀도를 고려하여 결정한다. 돌출부의 가로와 세로의 면적(a)이 전기화학 셀내 유체 흐름장의 면적(b)을 기준으로 10~80%가 바람직하다. 만약 a/b가 10%이하이면 분리판(400)에서 MEA로 흐르는 전류분포의 특성은 대폭 개선되나, 유체의 흐름특성이 나빠지고, 만약 a/b가 80%이상이면 유체의 흐름특성은 좋으나, 전류분포의 특성은 매우 나빠지게 된다.

또한 돌출부(408)의 가로(x)와 높이(z)는 유체의 유동 유량을 고려하여 결정한다. n열에서 가로(x)와 높이(z)의 면적(c)는 n열을 통과하는 유체가 접촉하는 면적(d, 유체 흐름장의 단면을 기준으로 한 면적)을 기준으로 20 ~ 70%가 바람직하다. 만약 c/d가 20% 이하이면 유체를 공급하기 위한 압력손실이 발생하여 외부에서 유체를 공급하기 위한 동력비가 증가하게 되고, 만약 c/d가 70% 이상이면 전류분포의 특성은 매우 나빠지게 된다.

상기와 같이 구성된 분리판(400)의 재료로는 티타늄, 스테인리스 스틸, 백금,탄소등이 가능하며, 상기 재질에 백금, 은 또는 구리등의 전도성이 우수한 금속으로 코팅하면 더욱 바람직하다.

이하, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명하겠지만, 본 발명이 이에 의해 제한 되는 것은 아니다.

[실시 예]

가. 물을 전기분해하는 수전해 셀의 구성

(1) MEA 제조

음극 촉매로 Pt, 양극 촉매로 Pt-Ir를 사용하여 MEA를 제조하였다. (참조, 발명자들이 기 출원한 대한민국 특허출원 제2005-0016642호(다공성 전극 촉매층을 갖는 막전극 접합체의 제조 방법), 제2005-0016639호(막 전극 접합체의 제조 방법) 및 2005-0016637호(막 전극 접합체의 제조 방법))

(2)제 1, 제 2 전류 공급판 제작

타공판 형태의 티타늄 모재에 이리듐 산화물을 코팅한 후, 제 1 전류 공급판에는 전류 공급원의 (+)극을 연결하고, 다른 제 2 전류 공급판에는 전류 공급원의 (-)극을 연결한다.

(3) 분리판 제작

유체유동장이 직경 200cm의 원형이며, 유체 유동장내 돌출부의 크기는 높이 5mm, 가로(x) 2mm, 세로(y) 2mm 이며, 돌출부와 돌출부의 간격은 2mm로 하였다. n-1과 n 위치의 돌출부 배열은 교차로 배치하였다.

나. 성능측정

분리판의 성능을 평가하는 중요한 인자중의 하나인 전류밀도 분포를 측정하였다. 직접적인 전류밀도 분포 측정은 복잡한 장치 구성으로 인하여 신뢰도가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 따라서, 본 실험에서는 전기장의 강도에따라 전류 공급판에 축적될 수 있는 불순물을 전해질에 첨가하여, 이들의 분포를 해석하였다.

전해셀을 조립한 후 전해셀을 운전 조건은 0.5A/cm2에서 순수를 전기 분해하면서 순수에 약 150ppm의 CaCO3를 첨가하여 8시간 전기분해 한다. 전기분해 후 전해셀을 분해하여 전류 공급판에서의 침전물 침적 상태를 평가한다.

다. 결과

도 6은 본 발명의 분리판에 의한 전류밀도 분포를 보여주는 침전물의 분포 사진이다.

[비교 예]

가. 물을 전기분해하는 수전해 셀의 구성

(1) MEA 제조

상기 실시 예와 동일한 구조의 MEA를 적용한다.

(2) 제 1, 제 2 전류 공급판

상기 실시 예와 동일한 구조의 제 1 전류 공급판, 제 2 전류 공급판으로 구성한다.

(3) 분리판

상기 실시 예의 같은 크기로 돌출부를 구성한 후 n-1과 n 위치의 돌출부 배열은 일자형으로 배치하였다.

나. 성능측정

발명의 예와 동일한 조건으로 운전을 하고, 평가하였다.

다. 결과

도 7은 비교 예 분리판에 의한 전류밀도 분포를 보여주는 침전물의 분포 사진이다. 도 7에서와 같이 본 비교에 의한 분리판은 매우 불균일한 전류 분포 특성을 가짐을 알 수 있다.

이상의 결과로부터, 본 발명에 의한 분리판은 전해셀 내의 반응물의 혼합효과를 개선하여 MEA의 성능 및 수명을 증진시킬 수 있음을 알 수 있었다.

또한 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀의 구조도이다.

도 2은 전형적인 전기화학 단위셀을 적층한 스택과 관련한 구성관계를 도시한 개략도이다.

도 3은 도 1과 도 2에서 서술한 기존의 전기화학 셀의 분리판(300)의 유로를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 교차되는 돌출부를 갖는 분리판의 정면 구조도이다.

도 5는 도 4 구조도의 AB선을 기준으로 한 단면도이다.

도 6은 본 발명의 분리판에 의한 전류밀도 분포를 보여주는 침전물의 분포 사진이다.

도 7은 비교 예 분리판에 의한 전류밀도 분포를 보여주는 침전물의 분포 사진이다

Claims (2)

1. 이온교환막, 양극과 음극의 전극 촉매, 전류공급판 및 분리판을 포함하는 전기화학 단위 셀에 있어서,

   상기 분리판은 직육면체의 돌출부 구조를 가지며, 돌출부가 교차로 위치하는 것이 특징인 분리판.
2. 제1항에 있어서 분리판에 있어서,

   돌출부의 높이(z)는 1~10 mm 이며,

   돌출부의 가로(x)와 세로(y)의 면적(a)이 전기화학 셀내 유체 흐름장의 면적(b)의 을 기준으로 10~80% 이며,

   돌출부의 가로(x)와 높이(z)의 면적(c)과 n열을 통과하는 유체가 접촉하는 면적(d, 유체 흐름장의 단면을 기준으로 한 면적) 비는 20 ~ 70% 인 것이 특징인 분리판

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