KR20140113958A - 전해조 - Google Patents

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KR20140113958A
KR20140113958A KR1020147020097A KR20147020097A KR20140113958A KR 20140113958 A KR20140113958 A KR 20140113958A KR 1020147020097 A KR1020147020097 A KR 1020147020097A KR 20147020097 A KR20147020097 A KR 20147020097A KR 20140113958 A KR20140113958 A KR 20140113958A
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Abstract

전해조(2)는 고분자 전해질 막 구조에 있어서 두 단부 플레이트들(6 및 8) 사이에 배치된 적어도 하나의 전해셀(4) 및 단부 플레이트들(6 및 8) 사이에 가압력을 생성하기 위한 수단을 포함하고 있다. 전해셀(4)에 의해 생성된 가스압력에 의존하여 상기 가압력이 적어도 부분적으로 제어된다.

Description

전해조{Electrolyser}
본 발명은 청구항 1의 전제부에 특정된 구성을 갖는 전해조에 관한 것이다.
전해조들에 있어서, 물은 전류에 의해 수소와 산소의 성분으로 분해된다. 고분자 전해질 막 구조물 방식에 있어서 전해셀을 사용하는 전해조들은 이것을 위하여 잘 알려져 있다. 이들 전해셀들은 통상적으로 고분자 전해질 막을 필수적으로 구성하고, 그 두 바깥면들 상에 가스확산전극이 각각 배치된다. 가장 간단한 경우에 있어서, 전해조 안에 하나의 전해셀이, 그러나 일반적으로 적중구조에 있어서 다수의 전해셀들이, 두 단부 플레이트(plate) 사이에 배치된다. 이 단부 플레이트는 한편으로 전력을 공급하는 역할을 하고 다른 한편으로는 전해셀 상에 또는 적중 전해셀들 상에 가압력을 가하는 역할을 하고, 이 가압력은 전해조의 효과적 작동을 위해 필요한 것이다. 이것을 위하여, 단부 플레이트들은 서로에 대하여 고정된다.
단부 플레이트들에 의해 전해셀 상에 또는 적중 전해셀들 상에 가해지는 이 가압력은 전해조의 작동압력의 증가, 즉 전해조 내부에 있어서의 가스압력의 증가를 감소시키고, 이것은 그 효율을 위하여는 불리한 결과를 가지며, 가장 바람직하지않는 경우에 있어서는 이 가압력이 완전히 사라질 수 있다는 것으로 알려져 있다. 따라서, 매우 단단한 따라서 매우 딱딱한 단부 플레이트들의 도움으로 이 영향에 대한 역 대책의 시도가 있지만, 단지 불만족스러운 범위까지 완수되고 매우 무거운 설계를 가져온다.
위와 같은 단점에 대하여, 본 발명의 목적은, 전해조 내의 작동압력과 독립적으로, 전해셀 또는 전해셀들에 적절히 큰 가압력이 항상 보장되는 상술한 형태의 전해조를 제공하는 것이다.
위의 목적은 청구항 1에 특정된 구성을 갖는 전해조에 의해 달성된다. 이 전해조의 다른 향상점들은 종속항들, 뒤이은 상세한 설명 및 도면에 구체적으로 설명된다. 여기서, 종속항들에 특정된 구성들은 그 자체로서 또는 적절한 조합에 의해 본 발명 및 청구항 1에 따른 해결책을 더 형성할 수 있다.
물을 산소와 수소로 분해하는 역할을 하고 바람직하게는 수소를 생성하는 역할을 하는 본 발명에 따른 전해조는 통상적으로 고분자 전해질 막 구조에 있어서 적어도 하나의 전해셀을 포함하고, 이 적어도 하나의 전해셀은 두 단부 플레이트들 사이에 배치된다. 본 발명에 따른 이 전해조는 또한 더 많은 수소량을 생성하기 위하여, 두 단부 플레이트들 사이에 무더기로 함께 군을 이루고 있는 다수의 전해셀들을 포함할 수 있고, 그러므로 이하에서 전해셀이라고 말할 때, 이것은 또한 전해셀 무더기로 이해되는 것이다.
두 단부 플레이트들 및 그 사이에 배치된 전해셀은 공통 구조 단위를 형성한다. 이것을 위하여, 단부 플레이트들 및 그 사이에 위치된 전해셀은 예를 들면 결합막대로 함께 고정된다. 이와 같은 식으로, 비록 소정의 가압력이 단부 플레이트들에 의해 전해셀 상으로 가해지더라도, 이 가압력은, 더 높은 작동압력 즉, 예를 들면 2 MPa 이상의 전해셀에 의해 생성된 가스압력에서, 전해셀의 효율과 관련하여 최적인 전해조의 작동을 보장하기 위하여, 단독으로 충분하지 못하다. 이것을 위하여, 본 발명에 따른 전해조는 단부 플레이트들 사이에 가압력을 생성하기 위한 또 다른 수단을 포함한다.
이와 관련하여, 본 발명의 기본적 생각은 전해셀 상에 미치는 가압력을 전해셀에 의해 생성된 가스압력에 의존하여 적어도 부분적으로 제어하는 것이다. 즉, 전해셀 상에의 가압력의 크기가 전해셀에 의해 생성된 가스압력의 변화에 직접적 관계에 의해 목표로 된 식으로 변경될 수 있는 것을 구비한 제어가 제공된다. 이것은 전해셀에 의해 생성된 가스압력이 증가할 때, 가압력에 대한 가스압력증가의 앞서 언급한 단점적인 영향이 보상되는 식으로, 전해셀 상에의 가압력이 바람직하게는 가스압력의 증가에 비례하여 증가될 수 있다는 것을, 그리고 이상적으로는 일정한 전해셀 상의 가압력이 항상 가스압력과는 독립적으로 설정된다는 것과 전해셀의 작동을 최적의 효율로 허락한다는 것을 의미한다.
전해셀에 의해 생성된 가스압력은 전해셀 상에의 가압력의 가스-압력-의존 제어를 위하여 전해조의 영역 내에 배치된 압력센서에 의해 감지될 수 있고, 여기서 압력센서의 전기출력신호가 제어부에 입력신호로서 입력되고 그리고 가압력을 생성하기 위한 바람직하게는 하나의 그러나 또한 다수의 작동기들을 위하여 제어변수로 전환된다.
특히 이점 있게는, 그러나 이 가압력이 전해셀에 의해 생성된 가스압력에 의해 직접 제어될 수 있다. 즉, 가압력을 생성하기 위한 작동기가 제어변수로서의 가스압력에 직접 영향을 받거나, 또는 가스압력에 의해 작동된다. 이것을 위하여, 전해조의 내부로부터 작동기까지 폐쇄된 오버플로 통로가 제공되고, 여기서 전해조 상의 오버플로 통로는 기본적으로 물 분해와 함께, 수소가 올라오는 영역, 따라서 음극 측에는 물론, 산소가 올라오는 영역, 따라서 양극 측에 형성될 수 있다. 그러나, 전해셀에 의해 생성된 수소의 가스압력에 의해 제어되는 구성을 갖는 본 발명에 따른 전해조의 설계가 본 발명에서는 바람직하다. 이것을 위하여, 오버플로 통로는 전해조의 수소출구로부터 가압력을 생성하는 작동기로 또는 작동기를 제어하는 제어부로 형성될 수 있다.
통상적으로, 전해셀 상에 가해진 가압력은, 전해셀에 의해 생성된 가스압력과는 독립적으로 적절히 큰 가압력이 전해셀에 가해지는 것을 보장하기 위하여, 전해셀에 의해 생성된 가스압력보다 더 크다. 본 발명에 따른 전해조의 하나의 설계에 있어서, 가스압력이 직접 가압력을 생성하는 작동기에 작용하는 구성을 갖는 것이며, 여기서 이것을 위한 작동기는 가압력 배가기(증폭기)를 포함할 수 있다.
본 발명의 전해조의 또 다른 이점 있는 설계에 따르면, 가스압력에 의해 제어된 가압력은 유체공학적으로 생성된다. 따라서, 전해셀 상의 가압력은 가스 또는 액체들에 의해 이것을 위하여 적절한 구성부품을 통해 직접적으로 또는 간접적으로 생성되고, 여기서 통상적으로 액체들은 그들이 준비압축성 방식으로 행동하기 때문에 바람직한 것이다. 그러나, 그것은 또한 가장 간단한 경우로서 전해셀에 의해 생성된 가스에 의해 직접 제공되어 지는 전해셀 상의 가압력을 위하여 가능하다.
유체공학적으로 생성된 가압력과 함께, 전해조의 두 단부 플레이트들 중 적어도 어느 하나의 전해셀과 마주하는 측에 압력-밀폐 챔버가 형성될 수 있다. 이 챔버는 챔버에 인접하게 배치된 전해셀의 평편한 면에 대항하여 직접 가압되는 유체를 수용하기 위한 역할을 한다.
더 이점 있는 것으로서, 전해셀의 방향으로 가동가능하게 안내되는 가압체가 단부 플레이트 상에 형성된 챔버 안에 배치될 수 있고, 이 가압체는 챔버 내에 위치된 유체에 의해 전해셀에 대항하여 가압되며, 따라서 가압력이 이것에 가해진다. 통상적으로, 가압체는 챔버의 유체출구로의 흐름을 방지하기 위하여 챔버의 가장자리에 대하여 유체 기밀 식으로 밀폐된다.
이 챔버는 통상적으로 가압력을 생성하기 위한 압력-생성기에 도관-연결된다. 여기서 이 압력-생성기는 유체가 단부 플레이트 상에 형성된 챔버 속으로 가압되는 구성을 갖는 펌프 또는 유사한 것으로 이해될 수 있다. 이 압력 생성기는 통상적으로 전해셀로부터 멀어지는 방향의 단부 플레이트의 측면에 배치되고, 여기서 유체도관이 압력 생성기로부터 단부 플레이트를 통해 챔버로 연결된다.
피스톤-실린더 배치가 설계와 관련하여 간단하게 압력 생성기를 형성할 수 있다. 따라서 가장 단순한 경우로서, 실린더가 제공될 수 있고, 이 실린더는 그 안에서 이동가능하게 안내되는 피스톤에 의해 두 개의 실린더 챔버들로 나누어지며, 여기서 실린더 챔버들 중 하나는 단부 플레이트 상에 형성된 챔버에 도관-연결되고, 다른 챔버의 피스톤은 전해셀에 의해 생성된 수소에 의해 압력-영향을 받는다. 따라서, 바람직하게는 피스톤-실린더 배치의 실린더 챔버는 전해조의 수소출구에 도관-연결된다.
이미 알 수 있는 바와 같이, 전해셀에 가해지는 가압력이 전해셀에 의해 생성된 가스압력보다 더 크게 되도록 노력한다. 이와 관련하여, 피스톤-실린더 배치가 특히 이점 있게 그것이 압력변환기를 형성하는 식으로 설계된다. 여기서, 단부 플레이트 상에 형성된 챔버에 도관-연결된 피스톤-실린더 배치의 실린더 챔버의 한계를 정하는 피스톤의 단부-면이, 압력변환기를 위하여 일반적인 것으로, 수소에 의해 압력 영향을 받는 피스톤의 단부면보다 더 작고, 여기서 압력변환기의 압력변환율은 최종 언급된 그리고 최초-언급된 피스톤 단부면의 몫으로부터 얻어진다.
바람직하게는, 이 압력변환기는 1.1 내지 2.5의 영역 그리고 바람직하게는 1.2 내지 2.0 사이의 영역에 놓이는 압력변환율을 갖는다. 이러한 압력변환율과 함께, 적절히 큰 가압력이, 전해셀이 이것에 의해 손상을 입거나 파괴되는 정도의 그렇게 큰 가압력 없이, 전해셀에 가해진다는 것을 발견하였다.
본 발명은 전해조 내의 작동압력과 독립적으로, 전해셀 또는 전해셀들에 적절히 큰 가압력이 항상 보장되는 전해조를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 매우 간단하게 도시한 전해조(2)의 분해도이다.
이하에서, 도면에 도시된 하나의 실시예에 의해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
전해조(2)는 두 단부 플레이트들(6 및 8) 사이에 배치된 전해셀(4)을 포함한다. 전해조(2)의 수소 출구를 형성하는 개구(10)가 단부 플레이트(6) 상에 형성되어 있고, 단지 도식적으로 그려진 도관(12)이 전해조(2)의 바깥 면에서 이 개구(10)에 연결된다. 전해셀(4)에서 생성된 수소는, 개구(10) 및 거기에 접속된 도관(12)을 통해, 도면에 도시되지 아니한 저장탱크로 안내된다.
고분자 전해질 막(14)은 전해셀(4) 내의 중앙에 배치된다. 이 고분자 전해질 막(14)은 그것의 두 평편한 면들이 각각 가스확산전극(16 및 18)에 의해 덮여 있다. 플레이트(20)가 가스확산전극(16)의 바깥면 상에 배치되고, 플레이트(22)는 가스확산전극(18)의 바깥면 상에 배치된다. 이 플레이트들(20 및 22)은 전기접속을 수행한다. 밀폐체(24)가 고분자 전해질 막(14) 및 두 플레이트들(20 및 22) 사이의 중간공간을 밀폐한다. 전해셀(4)은 도면상에서 위에 있는 단부가 두 밀폐체들(26)에 의해 밀폐된다.
이 두 단부 플레이트들(6 및 8)은 도면에 도시되지 아니한 결합막대를 통해 서로에 대하여 고정된다. 이것에 의해 전해셀(4) 내에서 일어나는 전기분해의 고효율을 위하여 필요로 하는 소정의 가압력이 전해셀(4) 상에 작동된다. 만약 주로 전기분해와 함께 발생하는 수소에 기인하는 높은 가스압력이 전해조(2) 내에 팽배한다면, 그땐 단부 플레이트들(6 및 8)에 의해 발휘된 전해셀(4) 상의 가압력은 적절한 효율로 일어나는 전기분해를 위하여 더 이상 충분하지 못하다. 이 때문에, 부가의 가압력이 전해셀(4) 상에 가해져야만 한다. 이것을 위하여 선택된 구조적 대책이 이하에서 기술된다.
숄더(shoulder)(30)의 형성으로 에워싸인 플레이트(20)로부터 멀어지는 방향으로 테이퍼져 있는 홈(28)이 플레이트(20)와 마주하는 단부 플레이트(6)의 평편한 면상에 형성된다. 이 숄더(30)는 홈(28)의 전체주변을 둘러싸면서 확장하고 플레이트(20)에 대하여 단부 플레이트(6)를 밀폐하는 밀폐체(34)를 유체-밀착 식으로 수용하기 위한 역할을 한다. 홈(28) 내를 연통하는 구멍(36)이 단부 플레이트(6)를 통해 확장하고 있다. 이 구멍(36)은 따라서 홈(28) 및 가압력체(32)에 의해 형성된 챔버로의 접근을 형성한다.
도관분기(38)가 도관(12) 상에 형성된다. 이 도관분기(38)로부터 피스톤-실린더 배치(42)로 도관(40)이 안내된다. 이 피스톤-실린더 배치(42)는 폐쇄된 공동 실린더(44)를 포함하고, 그 안에서 피스톤(46)이 축으로 이동가능하게 안내된다. 이 피스톤(46)은 공동 실린더(44)의 내부를 제1 실린더 챔버(48) 및 제2 실린더 챔버(50)로 나눈다.
실린더 챔버(48) 내와 연결되는 개구(52)가 공동 실린더(44)의 주변부 상에 형성된다. 이 개구(52) 상에 도관(40)이 연결된다. 또한, 다른 개구(54)가 실린더 챔버(50)의 한계를 정하는 마주하는 면 상의 공동 실린더(44) 상에 형성된다. 화살의 형태로 도식적으로 도시된 도관(56)이 이 개구(54)로부터 단부 플레이트(6) 상에 형성된 구멍(36)으로 안내된다.
피스톤 로드(58)가 실린더 챔버(50)와 마주하는 면 상의 피스톤(46)에 형성된다. 이 피스톤 로드(58)는 실린더 챔버(50)의 한계를 정하는 공동 실린더(44)의 마주하는 면상에 형성된 개구(60)를 통하여 피스톤(46)의 중심축(A)과 동심으로 확장하고 있다. 실린더 챔버(50)와 마주하는 면상의 피스톤(46)의 가압력-유효 표면영역은, 실린더 챔버(50)의 밖으로 안내된 이 피스톤 로드(58) 때문에, 실린더 챔버(48)와 마주하는 면 상에서보다 더 작다. 이 피스톤-실린더 배치(42)는 이 설계로 인해 가압력변환기를 형성한다.
도시된 전해조(2)의 기능은 다음과 같다:
전해조(2)에 의해 생성된 수소는 도시되지 않은 저장탱크에 높은 압력으로 저장된다. 따라서, 높은 수소압력이 전해조(2) 내에 팽배하고 도관(12)을 통해 저장탱크로 안내되며, 그리고 지금까지 알려져 왔던 전해조들에 있어서 이 높은 압력은 가스확산전극들(16 및 18)이 충분한 범위까지 더 이상 서로에 대하여 압력을 가하지 않는다는 사실로 안내할 것이다.
이것은 도시된 전해조(2)의 경우는 아니다. 만약 전해조(2) 내의 수소압력이 증가하면, 실린더 챔버(48)가 도관들(12 및 40)을 통해 전해조(2)의 내부와 도관-연결 또는 전도성 있게 연결되기 때문에, 이것은 피스톤-실린더 배치(42)의 실린더 챔버(48) 내의 압력이 또한 증가하는 결과를 갖는다. 실린더 챔버(48) 내의 이 압력증가는 피스톤(46)이 실린더 챔버(50)의 방향으로 가압되는 결과로 되고, 이 수단에 의해 실린더 챔버(50) 및 도관(56)을 통해 거기에 도관-접속된 단부 플레이트(6)의 홈(28) 내의 압력이 증가한다. 여기서, 실린더 챔버(50) 및 홈(28) 내의 압력증가는, 피스톤-실린더 배치(42)가 피스톤(46)의 설계에 기인하여 압력 변환기를 형성하기 때문에, 실린더 챔버(48) 내에서보다 더 크다.
실린더 챔버(48) 내의 압력증가에 기인하여, 홈(28) 내에 위치한 유체는, 두 가스확산전극들(16 및 18)이 서로에 대하여 충분한 범위까지 가압되는 것이 보장되도록, 따라서 증가된 압력으로 플레이트(20)에 대항하여 가압한다.
2: 전해조 4: 전해셀
6, 8: 단부 플레이트 10: 개구
12: 도관 14: 고분자 전해질 막
16, 18: 가스확산전극 20, 22: 플레이트
24, 26: 밀폐체 28: 홈
30:숄더 36: 구멍
38: 도관분기 42: 피스톤-실린더 배치
44: 공동 실린더 46: 피스톤
48, 50: 실린더 챔버 52, 54: 개구
56: 도관 58: 피스톤 로드
60: 개구 A: 중간축

Claims (11)

  1. 고분자 전해질 막 구조에 있어서 두 단부 플레이트들(6 및 8) 사이에 배치된 적어도 하나의 전해셀(4) 및 단부 플레이트들(6 및 8) 사이에 가압력을 생성하기 위한 수단을 구비한 전해조(2)에 있어서, 전해셀(4)에 의해 생성된 가스압력에 의존하여 상기 가압력이 적어도 부분적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 전해조(2).
  2. 제 1항에 있어서, 가압력은 전해셀(4)에 의해 생성된 가스압력에 의해 직접적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 전해조(2).
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 가압력은 전해셀(4)에 의해 생성된 수소의 가스압력에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전해조(2).
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 가압력에 의해 전해셀(4) 상에 가해지는 가압력은 전해셀(4)에 의해 생성된 가스압력보다 더 큰 것을 특징으로 하는 전해조(2).
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스압력에 의해 제어된 가압력은 유체공학적으로 생성되는 것을 특징으로 하는 전해조(2).
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 전해셀(4)과 마주하는 면에서 적어도 하나의 단부 플레이트(6) 상에 압력-밀폐 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 전해조(2).
  7. 제 6항에 있어서, 상기 챔버는 압력생성기에 도관-연결되는 것을 특징으로 하는 전해조(2).
  8. 제 7항에 있어서, 피스톤-실린더 배치(42)가 압력생성기를 형성하는 것을 특징으로 하는 전해조(2).
  9. 제 8항에 있어서, 피스톤-실린더 배치(42)의 실린더 챔버(48)가 전해조(2)의 수소출구에 도관-연결되는 것을 특징으로 하는 전해조(2).
  10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서, 피스톤-실린더 배치(42)는 압력 변환기를 형성하는 것을 특징으로 하는 전해조(2).
  11. 제 10항에 있어서, 압력 변환기는 1.1 내지 2.5의 영역 및 바람직하게는 1.2 내지 2.0 사이의 영역에 놓이는 압력변환율을 갖는 것을 특징으로 하는 전해조(2).
KR1020147020097A 2012-01-18 2012-12-18 전해조 KR102055191B1 (ko)

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