KR20160143404A - 전기 분해를 위한 멤브레인-전극 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 몸체부와 상기 몸체부의 제1면과 제2면을 관통하는 삽입부를 포함하는 프레임; 상기 삽입부에 삽입되는 막-전극 접합체; 및 상기 프레임과 결합하여, 상기 막-전극 접합체의 이탈을 방지하는 커버판을 포함하고, 상기 프레임은, 상기 몸체부의 제1면 일정 영역에 위치하는 제1입수부 및 상기 제1입수부와 마주보는 위치에 배치되는 제2입수부를 포함하며, 상기 몸체부의 제1면 일정 영역에 위치하는 제1배수부 및 상기 제1배수부와 마주보는 위치에 배치되는 제2배수부를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리에 관한 것으로, 간단한 멤브레인-전극 어셈블리 구조를 통해 전해가스 발생 장치의 전체 부피를 감소시킬 수 있다.

Description

전기 분해를 위한 멤브레인-전극 어셈블리{A MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR ELECTROLYSIS}

본 발명은 전기 분해를 위한 멤브레인-전극 어셈블리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전해가스 발생 장치의 전체 부피를 감소시킬 수 있는 전기 분해를 위한 멤브레인-전극 어셈블리에 관한 것이다.

근래, 수소 및 산소 가스는 공업적 이용은 물론 대체 에너지원으로 각광을 받고 있으며, 이에 따라 수소 및 산소가스를 효율적으로 발생시킬 수 있도록 하는 수소 및 산소 가스 발생장치의 개발이 활발히 진행되고 있다.

이러한 수소 및 산소 가스 발생장치는 물이 전기분해되어 얻어지는 생성물인 수소 및 산소를 생산하기 위한 장치로서, 양(+) 및 음(-) 전극이 설치된 전해조 내에 소량의 전해물질이 첨가된 물을 공급하고 직류 전압을 인가함으로서 무공해 에너지원인 수소산소 혼합가스를 발생한다.

이때 발생되는 수소와 산소는 2 : 1의 몰비로 발생되며, - 전극 표면에 수소가 기포 형태로 생성되고, + 전극 표면에 산소가 기포 형태로 생성된다.

이렇게 생성된 수소와 산소는 혼합되어 혼합가스 형태가 되며 연소가 가능하다. 또한 수소산소 혼합가스는 연소시 오염물질의 생성하지 않아 친환경적인 에너지원으로서 새롭게 부각되고 있다.

이러한 수소 및 산소 가스 발생장치에는 일반적으로 전기 분해를 위한 멤브레인-전극 어셈블리를 포함하며, 즉, 복수개의 멤브레인-전극 어셈블리가 결합하여 수소 및 산소 가스 발생장치를 구성하게 된다.

도 1은 종래의 수소 및 산소 가스 발생장치의 O형 전극에 의한 멤브레인-전극 어셈블리를 도시한 개략적인 사시도로, 국내실용신안 공보(공개번호 실1995-13442)에 게재된 것이다.

도 1을 참조하면, 종래의 수소 및 산소 가스 발생장치의 O형 전극에 의한 멤브레인-전극 어셈블리는 O형 전극(1) 2개가 외벽을 이루며, 격벽(3)과 절연링(18)이 2개의 전극사이에 위치하여 산소와 수소가스가 각각 발생하는 전해실(21, 23)을 형성한다.

상기 멤브레인-전극 어셈블리는 순차적으로 적층되어 하나의 전해가스 발생장치, 즉, 수소 및 산소 가스 발생장치를 이루고 있다. 한편, 멤브레인-전극 어셈블리는 "전해셀" 또는 "전기분해셀"로도 표현될 수 있다.

즉, 종래의 수소 및 산소 가스 발생장치는 전해가스의 분리 포집을 위하여 전극(1)을 O형 형태로 하며 상기 전극(1) 각각에 포집공(15 또는 17)을 전극의 성질에 따라 선택적으로 선택하고, 전해액 투입구(11)와 전해액 배출구(13)를 가지고 있다.

이러한 구조에 있어서의 멤브레인-전극 어셈블리는, 서로 다른 극을 가지는 O형 전극(1)을 각각 하나씩 구비하여야 하며, 두 전극의 전극(1)간 접촉에 의한 합선이 발생하지 않으며 두 전극에 결합부로 전해액이 누출되지 않도록 서로 다른 두 전극 사이에 절연링(18)을 위치시킨다.

이때 각각의 전극(1)마다 전해액 보급과 배출을 위한 별도의 전해액 투입구(11)와 전해액 배출구(13)를 가지고 있으므로 연결부가 많아 그 구조가 복잡하다.

또한, 전해장치 외부에 전해액 보급과 배수를 위한 관과 포집된 가스의 이동 통로인 포집관(로)이 전해장치 외부에 위치하므로 전해가스 발생 장치의 전체 부피가 증가하며 더욱 구조가 복잡해지는 단점이 있다.

또한, 전해가스의 분리 포집을 위하여 전극의 형태를 O형으로 함에 따라 전해실(21, 23) 전체에 고른 전기장이 형성되지 않아 상기 전해실에서 국부적인 전기분해가 발생한다.

게다가 전해액과의 접촉 면적이 줄어들어 단위 시간당 생산량이 작아 지속적이며 안정적으로 가스를 공급할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상술된 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 전해액과의 접촉 면적을 증가시켜 단위 시간당 생산량을 증대시킬 수 있는 전기 분해를 위한 멤브레인-전극 어셈블리를 제공하는데 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 지적된 문제점을 해결하기 위해서 본 발명은 몸체부와 상기 몸체부의 제1면과 제2면을 관통하는 삽입부를 포함하는 프레임; 상기 삽입부에 삽입되는 막-전극 접합체; 및 상기 프레임과 결합하여, 상기 막-전극 접합체의 이탈을 방지하는 커버판을 포함하고, 상기 프레임은, 상기 몸체부의 제1면 일정 영역에 위치하는 제1입수부 및 상기 제1입수부와 마주보는 위치에 배치되는 제2입수부를 포함하며, 상기 몸체부의 제1면 일정 영역에 위치하는 제1배수부 및 상기 제1배수부와 마주보는 위치에 배치되는 제2배수부를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 삽입부는 사각형의 형태이고, 하나의 꼭지점을 기준으로, 반시계 방향으로 제1꼭지점, 제2꼭지점, 제3꼭지점 및 제4꼭지점을 포함하며, 상기 제1꼭지점과 상기 제2꼭지점을 잇는 제1선분, 상기 제2꼭지점과 상기 제3꼭지점을 잇는 제2선분, 상기 제3꼭지점과 상기 제4꼭지점을 잇는 제3선분, 상기 제4꼭지점과 상기 제1꼭지점을 잇는 제4선분을 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제1입수부는 상기 제1꼭지점 영역에 위치하고, 상기 제2입수부는 상기 제3꼭지점 영역에 위치하며, 상기 제1배수부는 상기 제2꼭지점 영역에 위치하고, 상기 제2배수부는 상기 제4꼭지점 영역에 위치하는 멤브레인-전극 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제1입수부는 상기 제1선분의 중심 영역에 위치하고, 상기 제2입수부는 상기 제3선분의 중심 영역에 위치하며, 상기 제1배수부는 상기 제2선분의 중심 영역에 위치하고, 상기 제2배수부는 상기 제4선분의 중심 영역에 위치하는 멤브레인-전극 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 막-전극 접합체는, 한 쌍의 제1전극 및 제2전극; 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 사이에 설치된 이온교환막을 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 삽입부의 단면은 복수개의 단차를 포함하며, 상기 복수개의 단차 각각에 상기 제2전극, 상기 이온교환막 및 상기 제1전극이 순차적으로 적층되어 배치되는 멤브레인-전극 어셈블리를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제1전극은 제1금속판 및 상기 제1금속판의 상부에 형성되는 제1촉매층을 포함하고, 상기 제2전극은 제2금속판 및 상기 제2금속판의 상부에 형성되는 제2촉매층을 포함하며, 상기 제1촉매층 및 상기 제2촉매층은 각각 상기 제1금속판 및 상기 제2금속판의 상부에 전기방사법에 의해 증착되는 멤브레인-전극 어셈블리를 제공한다.

상기한 바와 같은 본 발명에서는, 간단한 멤브레인-전극 어셈블리 구조를 통해 전해가스 발생 장치의 전체 부피를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 전해액의 접촉이 상기 제1전극의 전체 면에 대하여 접촉하므로, 전해액과 전극의 접촉면적을 증가시킴으로써, 단위 시간당 생산량을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 입수부와 배수부를 각각 2개씩 형성하고, 이들 입수부들이 서로 마주보고 배치하고, 이들 배수부들이 서로 마주보고 배치함으로써, 상기 입수부로 입수되는 물 흐름의 경로, 즉, 전해액의 흐름의 경로를 균일하게 함으로써, 상기 제1전극에 접촉되는 전해액의 흐름을 균일하게 할 수 있다.

도 1은 종래의 수소 및 산소 가스 발생장치의 O형 전극에 의한 멤브레인-전극 어셈블리를 도시한 개략적인 사시도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 멤브레인-전극 어셈블리를 도시하는 분리사시도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 멤브레인-전극 어셈블리를 도시하는 결합사시도이며, 도 2c는 도 2b의 I-I선에 따른 단면도이고, 도 2d는 도 2c의 단면도에서의 물의 흐름을 설명하는 모식도이다.
도 3a는 본 발명의 제1실시예에 따른 입수부 및 배수부의 배치를 도시하는 개략적인 도면이고, 도 3b는 본 발명의 제2실시예에 따른 입수부 및 배수부의 배치를 도시하는 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 일예에 따른 수소 및 산소 가스 발생장치의 구성을 설명하기 위한 개략적인 모식도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 상세히 설명한다. 도면에 관계없이 동일한 부재번호는 동일한 구성요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성 요소와 다른 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.

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

도 2a는 본 발명에 따른 멤브레인-전극 어셈블리를 도시하는 분리사시도이고, 도 2b는 본 발명에 따른 멤브레인-전극 어셈블리를 도시하는 결합사시도이며, 도 2c는 도 2b의 I-I선에 따른 단면도이고, 도 2d는 도 2c의 단면도에서의 물의 흐름을 설명하는 모식도이다.

먼저, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 본 발명에 따른 멤브레인-전극 어셈블리(100)는 본체를 이루는 프레임(130), 상기 프레임(130)에 삽입되는 막-전극 접합체(120); 및 상기 프레임과 결합하여, 상기 막-전극 접합체(120)의 이탈을 방지하는 커버판(110)을 포함한다.

보다 구체적으로, 먼저, 상기 막-전극 접합체(120)는 한 쌍의 제1전극(121) 및 제2전극(123); 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(123)의 사이에 설치된 이온교환막(122)을 포함한다. 이때, 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(123)은 전원에 연결된다.

상기 막-전극 접합체(120)의 구성에 대해서 추후 상술하기로 한다.

다음으로, 상기 본체를 이루는 프레임(130)은 평판형태의 몸체부(131) 및 상기 몸체부(131)의 제1면과 제2면을 관통하는 삽입부(136)를 포함한다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 상기 제1면은 상면으로, 상기 제2면은 하면으로 명칭하기로 하며, 다만, 본 발명에서 상, 하의 개념에 제한을 두는 것은 아니다.

즉, 상기 몸체부(131)의 삽입부(136)에 상기 막-전극 접합체(120)가 삽입되게 된다.

본 발명에서 상기 삽입부(136)의 형태는 사각형의 형태인 것을 특징으로 하며, 따라서, 본 발명에서는 상기 삽입부(136)에 삽입되는 상기 막-전극 접합체도 사각형의 형태인 것을 특징으로 한다.

이때, 도 2c에 도시된 바와 같이, 상기 삽입부(136)의 단면은 복수개의 단차를 포함하며, 상기 복수개의 단차 각각에 상기 막-전극 접합체(120)의 구성인, 제2전극(123), 이온교환막(122) 및 제1전극(121)이 순차적으로 적층되어 배치될 수 있다.

계속해서, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 상기 프레임(130)은 상기 몸체부(131)의 상면 일정 영역에 위치하는 2개의 입수부(132, 134) 및 2개의 배수부(133, 135)를 포함한다.

즉, 상기 프레임(130)은 상기 몸체부(131)의 상면 일정 영역에 위치하는 제1입수부(132) 및 상기 제1입수부(132)와 마주보는 위치에 배치되는 제2입수부(134)를 포함하며, 상기 몸체부(131)의 상면 일정 영역에 위치하는 제1배수부(133) 및 상기 제1배수부(133)와 마주보는 위치에 배치되는 제2배수부(135)를 포함한다.

이때, 상기 각각의 입수부는 입수구 및 상기 입수구와 상기 삽입부를 연결하는 입수 연결로를 포함하며, 상기 각각의 배수부는 배수구 및 상기 배수구와 상기 삽입부를 연결하는 배수 연결로를 포함한다.

예를 들어, 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 제2배수부(135)는 제2배수구(135a) 및 상기 제2배수구(135a)와 상기 삽입부(136)을 연결하는 제2배수 연결로(135b)를 포함하며, 이는 도 2c에서 알 수 있는 바와 같이, 제2배수 연결로(135b)는 상기 제2배수구(135a)와 상기 삽입부(136)을 연결하고 있음을 알 수 있다.

한편, 도 2c에서 132b는 제1입수 연결로에 해당한다.

도 3a는 본 발명의 제1실시예에 따른 입수부 및 배수부의 배치를 도시하는 개략적인 도면이고, 도 3b는 본 발명의 제2실시예에 따른 입수부 및 배수부의 배치를 도시하는 개략적인 도면이다.

상술한 바와 같이, 상기 삽입부(136)는 사각형의 형태에 해당하며, 따라서, 상기 삽입부(136)는 4개의 꼭지점과, 상기 4개의 꼭지점들을 각각 잇는 4개의 선분을 포함하고 있다.

이하에서는 설명의 편의를 위하여, 하나의 꼭지점을 기준으로, 반시계 방향으로 제1꼭지점, 제2꼭지점, 제3꼭지점, 제4꼭지점으로 정의하기로 한다.

또한, 제1꼭지점과 제2꼭지점을 잇는 선분을 제1선분, 제2꼭지점과 제3꼭지점을 잇는 선분을 제2선분, 제3꼭지점과 제4꼭지점을 잇는 선분을 제3선분, 제4꼭지점과 제1꼭지점을 잇는 선분을 제4선분이라고 정의하기로 한다.

먼저, 도 3a를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 입수부 및 배수부의 배치는, 상기 2개의 입수부(132, 134) 및 2개의 배수부(133, 135)가 각각 상기 삽입부(136)의 4개의 꼭지점 영역에 위치하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 제1실시예에 따른 입수부 및 배수부의 배치는, 상기 몸체부의 상면 일정 영역에 위치하고, 상기 삽입부(136)의 제1꼭지점 영역에 위치하는 제1입수부(132) 및 상기 제1입수부(132)와 마주보는 위치에 배치되고, 상기 삽입부(136)의 제3꼭지점 영역에 위치하는 제2입수부(134)를 포함한다.

또한, 상기 몸체부의 상면 일정 영역에 위치하고, 상기 삽입부(136)의 제2꼭지점 영역에 위치하는 제1배수부(133) 및 상기 제1배수부(133)와 마주보는 위치에 배치되고, 상기 삽입부(136)의 제4꼭지점 영역에 위치하는 제2배수부(135)를 포함한다.

다음으로, 도 3b를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 입수부 및 배수부의 배치는, 상기 2개의 입수부(232, 234) 및 2개의 배수부(233, 235)가 각각 상기 삽입부(236)의 4개의 선분의 중심 영역에 위치하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명의 제2실시예에 따른 입수부 및 배수부의 배치는, 상기 몸체부의 상면 일정 영역에 위치하고, 상기 삽입부(236)의 제1꼭지점과 제2꼭지점을 잇는 제1선분의 중심 영역 위치하는 제1입수부(232) 및 상기 제1입수부(232)와 마주보는 위치에 배치되고, 상기 삽입부(236)의 제3꼭지점과 제4꼭지점을 잇는 제3선분의 중심 영역 위치하는 제2입수부(234)를 포함한다.

상기 몸체부의 상면 일정 영역에 위치하고, 상기 삽입부(236)의 제2꼭지점과 제3꼭지점을 잇는 제2선분의 중심 영역 위치하는 제1배수부(233) 및 상기 제1배수부(133)와 마주보는 위치에 배치되고, 상기 삽입부(236)의 제4꼭지점과 제1꼭지점을 잇는 제4선분의 중심 영역 위치하는 제2배수부(235)를 포함한다.

본 발명에서 상기와 같이, 입수부와 배수부를 각각 2개씩 형성하고, 이들 입수부들이 서로 마주보고 배치되고, 이들 배수부들이 서로 마주보고 배치되도록 하는 것은, 상기 입수부로 입수되는 물 흐름의 경로를 균일하게 함으로써, 상기 제1전극에 접촉되는 물의 흐름을 균일하게 하기 위함이다.

예들 들어, 도 3a에서 입수부가 제1입수부(132)만 존재하고, 배수부가 제1배수부(133)만 존재한다면, 상기 제1입수부(132)를 통해 입수된 물은 상기 제1배수부(133)를 통해 배출되게 된다.

이때, 입수부로 입수되는 물 흐름의 경로는 제1입수부(132)에서 제1배수부(133)을 잇는 최단 경로가 있는 반면, 도 3a에 도시된 제1입수부로 입수되어, 제2배수부 영역과 제2입수부 영역을 거쳐 제1배수부로 배수되는 최장 경로가 있을 수 있게 된다.

이러한 최단 경로와 최장 경로를 통해 물이 흐르는 동안, 상기 물은 상기 제1전극에 접촉되는 시간이 서로 상이하게 되고, 따라서, 분해된 물의 양 또는 속도가 각각의 경로마다 상이하게 되므로, 따라서, 균일한 물의 분해가 어렵게 된다.

따라서, 본 발명에서는 상기 입수부로 입수되는 물의 흐름의 경로를 최대한 균일하게 하기 위하여, 입수부와 배수부를 각각 2개씩 형성하고, 이들 입수부들이 서로 마주보고 배치되고, 이들 배수부들이 서로 마주보고 배치되도록 하는 것이다.

계속해서, 도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 상기 커버판(110)은 상기 막-전극 접합체(120)가 상기 프레임(130)의 삽입부(136)에 삽입된 상태에서, 상기 삽입부(136)로부터 상기 막-전극 접합체(120)가 이탈하는 것을 방지할 수 있다.

이때, 상기 커버판의 일정 영역에는 상기 2개의 입수부(132, 134) 및 2개의 배수부(133, 135)와 각각 대응하여 위치하는 홀을 포함하며, 보다 구체적으로, 상기 제1입수부(132)와 대응하여 위치하는 제1홀(112), 상기 제1배수부(133)와 대응하여 위치하는 제2홀(113), 상기 제2입수부(134)와 대응하여 위치하는 제3홀(114) 및 상기 제2배수부(135)와 대응하여 위치하는 제4홀(115)을 포함한다.

즉, 상기 제1홀(112) 및 상기 제3홀(114)을 통해 입수된 물이 상기 제1입수부(132) 및 상기 제2입수부(134)를 통해 유입되어 상기 제1전극(121)의 표면과 접촉하게 되며, 이후, 상기 제1배수부(133) 및 상기 제2배수부(135)를 통해 배수되어, 최종적으로 상기 제2홀(113) 및 상기 제4홀(115)을 통해 배수되게 된다.

도 2d에는 이러한 물의 흐름을 도시하고 있으며, 도 2d에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 상기 제1홀(112)을 통해 입수된 물이 상기 제1입수부(132)를 통해 유입되어 상기 제1전극(121)의 표면과 접촉하게 되며, 이후, 상기 제2배수부(135)를 통해 배수되어, 최종적으로 상기 제4홀(115)을 통해 배수되게 된다.

이상과 같이, 본 발명에서는 상기 프레임(130)의 삽입부(136)에 상기 막-전극 접합체(120)를 배치시키고, 이를 커버판(110)을 통해 이탈을 방지시킴으로써 본 발명에 따른 멤브레인-전극 어셈블리를 제조할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 간단한 멤브레인-전극 어셈블리 구조를 통해 전해가스 발생 장치의 전체 부피를 감소시킬 수 있다.

또한, 물, 즉, 전해액의 접촉이 상기 제1전극의 전체 면에 대하여 접촉하므로, 전해액과 전극의 접촉면적을 증가시킴으로써, 단위 시간당 생산량을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 입수부와 배수부를 각각 2개씩 형성하고, 이들 입수부들이 서로 마주보고 배치하고, 이들 배수부들이 서로 마주보고 배치함으로써, 상기 입수부로 입수되는 물 흐름의 경로, 즉, 전해액의 흐름의 경로를 균일하게 함으로써, 상기 제1전극에 접촉되는 전해액의 흐름을 균일하게 할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일예에 따른 수소 및 산소 가스 발생장치의 구성을 설명하기 위한 개략적인 모식도이다. 한편, 상기 수소 및 산소 가스 발생장치는 전해가스 발생 장치로도 명칭될 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일예에 따른 수소 및 산소 가스 발생장치는 제1멤브레인-전극 어셈블리(300) 및 제2멤브레인-전극 어셈블리(400)가 적층되어 구성될 수 있다.

즉, 복수개의 멤브레인-전극 어셈블리가 적층되어 하나의 수소 및 산소 가스 발생장치를 구성할 수 있는 것으로, 이는 당업계에서 자명한 사항이므로, 이하 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이때, 복수개의 멤브레인-전극 어셈블리를 적층하는 것은 요철(凹凸)구조를 통해 달성할 수 있다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1멤브레인-전극 어셈블리(300)는, 제1면의 일정 영역에 위치하는 제1철(凸)부(310)를 포함할 수 있으며, 제1면의 일정 영역에 위치하는 제1요(凹)부(320)를 포함할 수 있다.

상기 제2멤브레인-전극 어셈블리(400)는, 제1면의 일정 영역에 위치하는 제2철(凸)부(410)를 포함할 수 있으며, 제2면의 일정 영역에 위치하는 제2요(凹)부(420)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제2멤브레인-전극 어셈블리(400)의 제2철(凸)부(410)가 상기 제1멤브레인-전극 어셈블리(300)의 제1요(凹)부(320)에 삽입됨으로써, 상기 제1멤브레인-전극 어셈블리(300)와 상기 제2멤브레인-전극 어셈블리(400)가 상호 체결될 수 있다.

다만, 본 발명에서 상기 제1멤브레인-전극 어셈블리(300)와 상기 제2멤브레인-전극 어셈블리(400)의 체결방법을 제한하는 것은 아니다.

이하에서는 본 발명에 따른 막-전극 접합체(120)를 상술하기로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 막-전극 접합체(120)는 한 쌍의 제1전극(121) 및 제2전극(123); 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(123)의 사이에 설치된 이온교환막(122)을 포함한다. 이때, 상기 제1전극(121) 및 상기 제2전극(123)은 전원에 연결된다.

이때, 상기 제1전극(121)은 제1금속판 및 상기 제1금속판의 상부에 형성되는 제1촉매층을 포함할 수 있으며, 상기 제2전극(123)은 제2금속판 및 상기 제2금속판의 상부에 형성되는 제2촉매층을 포함할 수 있다.

상기 제1금속판 및 상기 제2금속판은 스테인레스계, 티탄계, 니켈계, 탄탈늄계 또는 카본계 일 수 있으며, 다만, 본 발명에서 상기 제1금속판 및 상기 제2금속판의 재질을 제한하는 것은 아니다.

한편, 본 발명에서 상기 제1촉매층 및 상기 제2촉매층은 상기 제1금속판 및 상기 제2금속판의 상부에 전기방사법에 의해 증착되는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 촉매층은 금속판의 상부에 전기증착법을 통해 직접 형성될 수 있다.

일반적인 촉매층의 형성방법의 경우, 먼저, 촉매층을 제조하기 위한 촉매층 물질을 전기방사법에 의해 형성한 이후에, 다음으로, 상기 촉매층 물질을 각각의 전극층에 증착, 스프레이법 등의 방법에 의하여 형성하였다.

즉, 일반적인 촉매층의 경우에는 전기방사법을 통하여 별도의 촉매층 물질을 형성한 이후에, 촉매층 물질을 공지된 증착 또는 스프레이법에 의해 금속판의 상부에 형성하게 된다.

하지만, 본 발명에서는 전기방사법을 통해, 촉매층을 상기 금속판의 상부에 직접 형성시킬 수 있다.

상기 전기방사법을 통한 촉매층의 형성방법은 방사용액을 이용하여 형성할 수 있다.

이때, 상기 방사용액은 비전도성 폴리머, 커플링제 및 금속촉매를 포함하여 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로, 상기 비전도성 폴리머는 예를 들어, 실리콘 수지, 페놀 수지, 천연 변성 페놀수지, 에폭시 수지, 폴리비닐알코올계 수지, 셀룰로스계 수지, 폴리올레핀계 수지, 스티렌계 수지 및 아크릴계 수지 중 적어도 어느 하나의 물질을 사용할 수 있으며, 상기 금속촉매는 주석(Sn), 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu), 니켈(Ni), 철(Fe), 카드늄(Cd), 납(Pb), 로듐(Rd), 파라듐(Pd) 및 루비듐(Ru) 중 적어도 어느 하나의 물질을 사용할 수 있다.

또한, 상기 커플링제로는 실란커플링제의 사용이 가능하며, 실란 커플링제는 가수 분해에 의해 실라놀기를 생성하는 가수분해성 관능기를 가진다. 가수 분해성 관능기로는 Si 원자에 직접 결합한 알콕시(-OR)기 등을 들 수 있다. 알콕시기를 구성하는 R로는 직쇄상, 분기상 또는 환상 (環狀)의 어느 하나의 알킬기이며 탄소수가 1～6인 것이 바람직하고, 구체적으로는 메틸기, 에틸기, n-프로필기, 이소프로필기, n-부틸기, 이소부틸기, sec-부틸기, tert-부틸기, 펜틸기, 헥실기, 시클로 펜틸기, 시클로 헥실기 등을 들 수 있다.

상기 전기방사법을 이용하여, 촉매층을 형성하는 것은 공지된 전기방사법을 이용할 수 있으며, 본 발명에서 상기 전기방사법의 종류를 제한하는 것은 아니다.

예를 들어, 먼저, 방사용액을 방사노즐(20; Capillary Tube)에 제공하고, 금속판의 타면(즉, 방사용액을 도포할 일면의 반대면)에 집전판을 배치한다.

그 후, 방사용액에 전압공급기로 10kV 내지 20kV의 전압을 공급하고, 집전판을 접지(Ground)시켜, 방사용액과 집전판 사이에 소정의 전압을 인가한다.

방사용액과 집전판 사이에 소정의 전압을 인가하면, 표면 장력에 의해서 방사노즐의 말단에 매달려 있는 방사용액의 미세 방울에 전기장이 인가되고, 그에 따라 미세 방울의 표면에는 전하가 유도된다.

이때, 유도된 전하의 상호반발력은 미세 방울의 표면 장력과 반대 방향으로 발생한다. 이러한 전하의 상호반발력에 의해서, 방사노즐의 말단에 매달려 있는 방사용액의 미세 방울은 테일러 콘으로 변형되고, 전하의 상호반발력이 표면 장력보다 강해지게 되면 전하를 띤 방사용액의 제트가 방사노즐로부터 방출된다.

방사용액의 제트가 공기 중으로 날아가는 동안 용매는 휘발되고, 방사용액의 제트는 웹(Web) 형태로 금속판의 일면에 도포되어, 상기 금속판의 전면(全面)에 금속층을 형성할 수 있다.

또한, 상기 이온교환막(122)는 불소계 고분자, 비불소계 고분자, 부분 불소계 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 혼합물로 형성될 수 있다.

상기 불소계 고분자로는 퍼플루오르술폰산계, 폴리테트라플루오로에틸렌계(PTFE: polytetrafluoro ethylene), 플루오리네이티드에틸렌프로필렌 공중합체(FEP: fluorinated ethylene propylene copolymer), 폴리비닐리덴플루오라이드계 (PVdF: polyvinylidenefluoride)등이 있고, 비불소계 고분자로는 폴리이미드계, 폴리페닐렌옥사이드계, 폴리술폰계, 폴리에테르케톤계, 폴리벤즈이디마졸계, 폴리포스파진계 등이 있고, 부분 불소계 고분자로는 등이 있고, 이들 중 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용하여 이온교환막을 형성할 수 있다. 이때, 퍼플루오르술폰산계로는 양이온교환막인 Dupont사의 Nafion이 있다.

다만, 본 발명에서 상기 이온교환막의 재질을 제한하는 것은 아니다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

1. 몸체부와 상기 몸체부의 제1면과 제2면을 관통하는 삽입부를 포함하는 프레임;
   상기 삽입부에 삽입되는 막-전극 접합체; 및
   상기 프레임과 결합하여, 상기 막-전극 접합체의 이탈을 방지하는 커버판을 포함하고,
   상기 프레임은,
   상기 몸체부의 제1면 일정 영역에 위치하는 제1입수부 및 상기 제1입수부와 마주보는 위치에 배치되는 제2입수부를 포함하며,
   상기 몸체부의 제1면 일정 영역에 위치하는 제1배수부 및 상기 제1배수부와 마주보는 위치에 배치되는 제2배수부를 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 삽입부는 사각형의 형태이고,
   하나의 꼭지점을 기준으로, 반시계 방향으로 제1꼭지점, 제2꼭지점, 제3꼭지점 및 제4꼭지점을 포함하며,
   상기 제1꼭지점과 상기 제2꼭지점을 잇는 제1선분, 상기 제2꼭지점과 상기 제3꼭지점을 잇는 제2선분, 상기 제3꼭지점과 상기 제4꼭지점을 잇는 제3선분, 상기 제4꼭지점과 상기 제1꼭지점을 잇는 제4선분을 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1입수부는 상기 제1꼭지점 영역에 위치하고, 상기 제2입수부는 상기 제3꼭지점 영역에 위치하며, 상기 제1배수부는 상기 제2꼭지점 영역에 위치하고, 상기 제2배수부는 상기 제4꼭지점 영역에 위치하는 멤브레인-전극 어셈블리.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1입수부는 상기 제1선분의 중심 영역에 위치하고, 상기 제2입수부는 상기 제3선분의 중심 영역에 위치하며, 상기 제1배수부는 상기 제2선분의 중심 영역에 위치하고, 상기 제2배수부는 상기 제4선분의 중심 영역에 위치하는 멤브레인-전극 어셈블리.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 막-전극 접합체는, 한 쌍의 제1전극 및 제2전극; 상기 제1전극 및 상기 제2전극의 사이에 설치된 이온교환막을 포함하는 멤브레인-전극 어셈블리.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 삽입부의 단면은 복수개의 단차를 포함하며,
   상기 복수개의 단차 각각에 상기 제2전극, 상기 이온교환막 및 상기 제1전극이 순차적으로 적층되어 배치되는 멤브레인-전극 어셈블리.
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 제1전극은 제1금속판 및 상기 제1금속판의 상부에 형성되는 제1촉매층을 포함하고,
   상기 제2전극은 제2금속판 및 상기 제2금속판의 상부에 형성되는 제2촉매층을 포함하며,
   상기 제1촉매층 및 상기 제2촉매층은 각각 상기 제1금속판 및 상기 제2금속판의 상부에 전기방사법에 의해 증착되는 멤브레인-전극 어셈블리.

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