KR20110124415A

KR20110124415A - 삼차원 메쉬를 이용한 고분자전해질 수전해 장치

Info

Publication number: KR20110124415A
Application number: KR1020100043757A
Authority: KR
Inventors: 이홍기; 김홍열
Original assignee: 우석대학교 산학협력단
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2010-05-11
Publication date: 2011-11-17
Also published as: KR101198220B1

Abstract

본 발명은 삼차원 메쉬를 이용한 고분자전해질 수전해 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 막-전극 접합체, 유로판, 가스켓 및 엔트 플레이트로 구성되는 고분자 전해질 수전해 장치에 있어서, 상기 유로판은 삼차원 메쉬 및 평면 분리판이 결합되는 구조로 구성되어 상기 삼차원 메쉬가 유로로서 작동되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 수전해 장치에 관한 것이다.

Description

삼차원 메쉬를 이용한 고분자전해질 수전해 장치{PEM WATER ELECTROLYSER USING 3-DIMENSION MESH}

본 발명은 순수한 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시키는 고분자전해질 수전해 장치에 관한 것으로, 구체적으로 수전해 장치 내 전기화학 반응이 일어나는 막-전극 접합체(이하, MEA)의 조건을 최적으로 유지시키기 위하여 사용되는 티타늄 유로판을 대체하는 삼차원 메쉬에 관한 것이다.

최근에 고체고분자 전해질막을 사용한 고효율의 수전해가 주목되고 있다. 상기 고체고분자 전해질형 수전해 장치는 도 1에 도시된 것과 같은데, 먼저 전해셀(1)은 직렬로 연결된 다수의 고체고분자 전해질막 유닛(2)과, 양단에 형성된 통전용 단부전극판(3)으로 구성되어 있다. 상기 고체 고분자 전해질막 유닛(2)은 주로 고체 고분자 전해질막(4)과, 상기 고체 고분자 전해질막(4)의 양단에 형성되는 다공질 급전체(5)와 상기 다공질 급전체(5)의 외측에 형성되는 복극식 전극판(6)으로 구성된다.

상기 고체고분자 전해질막(4)은 일반적으로 프로톤 도전성 재료로 구성되는 고분자막이고, 상기 복극식 전극판(6)은 상기 단부전극판(3) 사이에 전압을 인가했을 경우에 한쪽면이 음극, 다른면이 양극이 되는 것이다. 하나의 복극식 전극판(6)을 기준으로 좌우양측의 고체고분자 전해질막 유닛(2)에 공통의 구성부재로 되어 있다.

다음으로 종래의 수전해 장치가 동작되는 과정을 설명하면 다음과 같다.

상기 단부 전극판(3) 사이에 좌측이 양극, 우측이 음극이 되도록 전류가 통하면 각 복극식 전극판(6)은 좌측부가 하나의 유닛(2)의 음극이 되고, 또 우측부가 다른 유닛(2)의 양극이 된다.

이 상태에서 순수 공급경로를 통하여 순수를 양극실에 공급하면 양극실에서는 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-의 반응이 일어나고, 산소 가스가 발생한다. 또한, 양극실에서 발생한 프로톤은 고체 고분자 전해질막을 소량의 물을 수반하여 이동하고 음극실에 도달하여 음극실에서는 이와 같이 도달한 프로톤에 의해 4H⁺ + 4e^-→ 2H₂의 반응이 일어나고 수소가스가 발생한다.

상기와 같이, 고분자전해질 방식은 전해질이 고체 고분자이기 때문에 전해질 관리가 필요 없어지고 순수한 물만을 사용하기 때문에 부식의 문제나 오염의 문제가 없다. 또한, 고체 전해질 막을 사이에 두고 애노드와 캐소드가 분리되어 있어 수소와 산소의 혼합이 원천적으로 봉쇄되어 고순도의 수소와 산소를 별도의 정제과정 없이 얻을 수 있는 장점이 있다. 특히 타 방식에 비해 전류밀도를 현저히 높이 사용할 수 있어 장치의 크기에 비해 많은 양의 수소와 산소를 얻을 수 있다.

현재 사용되고 있는 대부분의 고분자전해질 수전해 장치를 도 2에서 개략적으로 나타내고 있는데, 이는 막-전극 접합체(10), 티타늄 유로판(20), 가스켓(30) 및 엔드 플레이트(40)의 적층구조로 구성되어 있으며, 이 중에서 막-전극 접합체와 티타늄 유로판이 장치의 가격의 대부분을 차지하고, 특히 티타늄 유로판(20)을 제작함에 있어 비용이 많이 드는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 3차원 메쉬를 새로운 방식의 티타늄 판을 제공하여 티타늄 유로판 제작에 소요되는 비용을 절감시킨 고분자전해질 수전해 장치를 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

막-전극 접합체, 유로판, 가스켓 및 엔트 플레이트로 구성되는 고분자 전해질 수전해 장치에 있어서, 상기 유로판은 삼차원 메쉬 및 평면 분리판이 결합되어 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 수전해 장치를 제공한다.

상기 막-전극 접합체는 고분자 고체 전해질막, 상기 고분자 고체 전해질막의 양면에 각각 형성된 수소 및 산소극 촉매층 및 상기 각각의 촉매층 상에 형성된 전극층으로 구성되고, 상기 삼차원 메쉬는 티타늄으로 제작된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 삼차원 메쉬의 각 단위메쉬는 다이아몬드 형상인 것을 특징으로하고, 상기 다이아몬드 형상을 가진 단위 메쉬는 다이아몬드 짧은 대각선의 길이가 1.4~2.0 mm, 다이아몬드 긴 대각선의 길이가 1.8~3.0 mm인 것을 특징으로 한다. 한편, 상기 다이아몬드 형상을 가진 단위 메쉬의 메쉬선의 두께는 0.2~0.3 mm인 것이 바람직하고, 상기 삼차원 메쉬의 두께는 0.5~0.8 mm 인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 삼차원 메쉬를 사용하여 제작된 고분자전해질 수전해 장치는 기존의 유로가 형성된 티타늄 유로판을 사용한 장치와 비교하여 동일한 성능을 나타내면서 장치의 가격을 절감할 수 있을 뿐 아니라, 제조공정을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 삼차원 메쉬는 기존 유로판의 역할인 유체의 원활한 이동과 전력의 균일한 공급을 동일하게 수행하며, 유로형성에 소요되는 시간을 절약하여 생산효율을 높여주는 효과도 있다.

도 1은 기존의 고분자전해질 수전해 장치의 단면도이다.
도 2는 기존에 사용되고 있는 고분자전해질 수전해 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유로를 형성하지 않은 티타늄 평판과 삼차원 메쉬를 사용한 고분자전해질 수전해 장치를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 메쉬의 형상을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유로를 형성하지 않은 티타늄 평판과 삼차원 메쉬를 사용한 고분자전해질 수전해 단위 셀 테스트 장치를 나타내는 단면도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 3를 참조하면, 본 발명은 막-전극 접합체(100), 유로판(110), 가스켓(120) 및 엔트 플레이트(130)로 구성되는 고분자 전해질 수전해 장치에 있어서, 상기 유로판(110)은 삼차원 메쉬(200) 및 평면 분리판(201)이 결합되어 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 수전해 장치에 관한 것으로, 상기 막-전극 접합체(100)는 고분자 고체 전해질막(101), 상기 고분자 고체 전해질막의 양면에 각각 형성된 수소 및 산소극 촉매층(102) 및 상기 각각의 촉매층 상에 형성된 전극층(103)으로 구성된다.

본 발명에 따른 고분자 전해질 수전해 장치(50)에 있어서, 고분자 전해질 막(101)으로는 술폰산기를 가지는 불소 수지계 양이온 교환막을 주로 사용하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 촉매층(102)은 상기 고분자 전해질막(101)을 중심으로 산소극 촉매층과 수소극 촉매층으로 구분되며, 상기 산소극 촉매층은 백금입자와 산화이리듐 입자를 고분자 전해질 용액과 발수화제로 분산시킨 용액을 이용하여 분리판과 접하는 면에 도금을 시켜 형성되고, 상기 수소극 촉매층은 백금 블랙입자와 카본 촉매를 혼합된 용액을 도포시켜 형성된다.

도 2와 같이, 기존의 수전해 장치에서는 막 전극 접합체(10)를 기준으로 티타늄 유로판(20)이 형성되어 있는데, 상기 유로를 통하여 물이 공급되고 분해를 통해 발생되는 가스 배출을 용이하게 하는 구조를 하고 있는데, 이와 같은 티타늄 유로판(20)은 상기에서 설명한 것과 같이 과다한 비용문제가 있으므로, 이를 도 3에서와 같이 3차원 메쉬(200)를 분리판(201)과 결합시킴으로서 상기 메쉬(200)가 기존의 유로판(20)에서의 유로의 기능을 할 수 있게 하는 것이 본 발명의 특징이다.

즉, 본 발명에 따른 메쉬(200)는 기존의 티타늄 유로판에 있어서, 티타늄 재질의 분리판에 유로를 형성시켜 유로판으로 사용한 것을 대체하기 위한 것으로 메쉬(200)를 통하여 분리판에 따로 유로를 형성시킬 필요없이 분리판(201)과 결합시켜 사용할 수 있도록 하여 유로 형성시 생기는 비용을 절감시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 삼차원 메쉬의 형상이다.

본 발명에 따른 메쉬(200)의 재질은 티타늄이며, 부식이 발생할 가능성이 있는 타 금속 재질을 쓸 때는 금, 백금, 이리듐, 티타늄 등의 재료로 표면을 처리하여 쓰는 것도 가능하다.

상기 티타늄 메쉬(200)는 제작 공정상 티타늄 판재에 다수의 구멍을 박은 후 연신하고, 다시 대각선 방향으로 다이아몬드를 박은 후 연신하는 방법으로 생산되는데, 이와 같은 제작 공정상의 이유로 티타늄 메쉬는 삼차원 형상을 갖게 되는데 원 티타늄 판재의 두께와 다이아몬드의 크기 등에 따라 삼차원 메쉬의 치수가 결정되며 제작된 메쉬를 압연하여 두께를 조절할 수도 있다.

상기와 같은 결과적으로 원하는 치수의 티타늄 메쉬를 자유롭게 얻을 수 있으며, 이를 고분자전해질 수전해 장치에 사용할 때 중요한 치수 인자는 다이아몬드의 크기(짧은 대각선: 210, 긴 대각선: 211), 메쉬 선의 두께(220), 전체 메쉬의 두께(230), 메쉬의 단위면적당 무게 등이 된다.

상기 티타늄 메쉬를 막 전극 접합체(MEA) 전극 크기와 동일한 규격으로 절단하여 사용하는데, 절단할 때는 유체의 입구에서 출구 쪽으로의 방향과 메쉬의 골의 방향을 일치시키는 것이 바람직하다. 즉, 도 3과 같이 상기 전극의 크기로 절단된 삼차원 메쉬(200)를 막 전극 접합체(MEA, 100)의 애노드와 캐소드 양쪽(130)에 위치시키고 유로를 형성하지 않은 티타늄 평판(201)을 위치시킨 후 체결한다.

본 발명에 따른 티타늄 유로판을 대체하기 위한 최적의 삼차원 메쉬는 실험을 통하여 얻어지는데, 상기 주요 치수 인자를 다양하게 선정하여 단위 셀에서 실험을 한 후 최적의 치수를 갖는 메쉬를 결정한다.

본 발명에서 실험을 실시한 메쉬의 종류는 하기의 표 1과 같다.

	다이아몬드 짧은 대각선 (210)	다이아몬드 긴 대각선 (211)	메쉬 선의 두께 (220)	전체 메쉬의 두께 (230)	메쉬의 단위면적 당 무게
실시예 1	2.52 mm	4.12 mm	0.60 mm	1.13 mm	0.09 g/cm²
실시예 2	1.42 mm	1.82 mm	0.25 mm	0.51 mm	0.03 g/cm²
실시예 3	0.83 mm	1.38 mm	0.31 mm	0.45 mm	0.05 g/cm²
실시예 4	0.85 mm	1.22 mm	0.17 mm	0.31 mm	0.01 g/cm²

상기 실험을 위해서 막-전극 접합체(MEA)를 제작하였다. 상기 MEA는 가로 세로 각 5 cm의 전극(활성면적: 25 cm²)과 고분자전해질로 Nafion 115를 사용하였다. 애노드 전극은 소결 압축된 티타늄 섬유위에 2.0 mg/cm² 의 이리듐 촉매를 나피온 용액과 혼합한 잉크를 만들어 스프레이 코팅하고, 캐소드 전극은 카본페이퍼 위에 0.4 mg/cm² 의 백금 촉매를 나피온 용액과 혼합한 잉크를 만들어 스프레이 코팅하였다.

상기와 같이 애노드 전극과 캐소드 전극을 제작한 후 전처리 된 Nafion 115를 전극의 사이에 두고 섭씨 140 도에서 50 기압의 압력으로 열압착하여 MEA를 제작하는 방식을 사용한다.

상기 제작된 MEA와 표 1에 표시한 삼차원 메쉬 중 하나를 도 5과 같이 삼차원 메쉬(200), MEA(100), 유로를 형성하지 않은 티타늄 평판(201), 실리콘 가스켓(120), 엔드플레이트(130)와 함께 체결한 후 단위 셀 실험을 상기 표 1에 있는 삼차원 메쉬의 종류에 따라 실시하였다.

단위셀 실험에서 물의 공급은 소형펌프를 이용하여 DI워터를 순환시켰으며 이 때 소형펌프의 소모전력은 4.5 W (0.5 A, 9 V), 물 및 전체 시스템은 상온 (섭씨 25도)에서 실행하였다.

수전해 전압-전류 실험 결과 실시예 1에서 실시예 4까지 모두 정상으로 작동 되었으나 각각의 특성으로 인해 차이를 보였다.

실시예 1은 삼차원 메쉬의 돌출 부분이 과다하고 돌출부분의 개수가 적어 돌출부분이 MEA의 전극과 닿는 부위에 심한 국지적 스트레스를 가하게 되고 전극을 훼손시킬 수 있으며 전기적 쇼트의 위험성도 있었다. 실시예 1에 사용된 삼차원 메쉬는 다이아몬드가 크고 메쉬선의 두께와 전체 메쉬의 두께 차이가 커 유체의 이동에 매우 적합한 구조를 가졌으나 수전해 전압-전류 특성에서 특별히 우수한 성능을 보이지 못한 것은 전극과의 접점 포인트의 수가 적어 전력공급이 전체적으로 균일하지 못한 것으로 보인다. 특히 MEA 전극의 훼손 가능성은 심각한 문제를 유발할 수 있으므로 실시예 1의 치수를 참조하여 그 이하의 삼차원 메쉬 치수를 선정하였다.

실시예 2는 수전해 전압-전류 특성 실험에서 가장 우수하고 안정된 결과를 보여 주었다. 이는 다이아몬드의 크기가 적절하여 유체의 전극방향으로의 출입이 원활하고 메쉬선의 두께와 전체 메쉬의 두께 차도 적절하여 전반적인 유체의 흐름도 원활하며 돌출부분의 개수가 많아 전력공급 또한 균일하여 최상의 결과를 보여준 것으로 보인다.

실시예 3과 4는 비슷한 결과를 나타내었는데 낮은 전류밀도 조건에서는 실시예 2와 비슷한 결과를 보였으나 중간 이후 높은 전류밀도 조건에서 실시예 2에 비해 모두 성능이 떨어졌다. 이는 실시예 3과 4에서 사용한 메쉬의 다이아몬드가 작고 메쉬선의 두께와 전체 메쉬의 두께 차가 작아 유체의 흐름이 많아지는 높은 전류밀도 조건에서 유체의 이동이 원활하지 못한 결과로 볼 수 있다.

상기 실험 결과 바람직한 삼차원 메쉬의 치수는 도 4와 같이 다이아몬드의 짧은 대각선(210) 1.4 ~ 2.0 mm, 다이아몬드의 긴 대각선 (211) 1.8 ~ 3.0 mm, 메쉬선의 두께 (220) 0.2 ~ 0.3 mm, 전체 메쉬의 두께 (230) 0.5 ~ 0.8 mm 로 한정지을 수 있으며 메쉬의 단위면적 당 무게는 상기 네 개의 변수에 따라 결정됨으로 따로 한정하지 않는다.

상기와 같은 메쉬 형상을 평판에 결합시켜 기존의 티타늄 유로판을 대체할 수 있어 비용면이나 생산효율면에서 효과가 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100 : MEA 110 : 티타늄 유로판
120 : 가스켓 130 : 엔드플레이트
200 : 삼차원 메쉬 201: 평판
210 : 다이아몬드의 짧은 대각선
211 : 다이아몬드의 긴 대각선
220 : 메쉬 선의 두께 230 : 전체 메쉬의 두께

Claims

막-전극 접합체, 유로판, 가스켓 및 엔트 플레이트로 구성되는 고분자 전해질 수전해 장치에 있어서,
상기 유로판은 삼차원 메쉬 및 평면 분리판이 결합되는 구조로 구성되어 상기 삼차원 메쉬가 유로로서 작동되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 수전해 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 막-전극 접합체는 고분자 고체 전해질막, 상기 고분자 고체 전해질막의 양면에 각각 형성된 수소 및 산소극 촉매층 및 상기 각각의 촉매층 상에 형성된 전극층으로 구성된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 수전해 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 삼차원 메쉬는 티타늄으로 제작된 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 수전해 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 삼차원 메쉬의 각 단위메쉬는 다이아몬드 형상인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 수전해 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 다이아몬드 형상은 다이아몬드 짧은 대각선의 길이가 1.4~2.0 mm, 다이아몬드 긴 대각선의 길이가 1.8~3.0 mm인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 수전해 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 다이아몬드 형상의 단위 메쉬의 메쉬선의 두께는 0.2~0.3 mm인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 수전해 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 삼차원 메쉬의 두께는 0.5~0.8 mm인 것을 특징으로 하는 고분자전해질 수전해 장치.