KR20200052757A - Electrochemical Stack - Google Patents

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KR20200052757A
KR20200052757A KR1020180136142A KR20180136142A KR20200052757A KR 20200052757 A KR20200052757 A KR 20200052757A KR 1020180136142 A KR1020180136142 A KR 1020180136142A KR 20180136142 A KR20180136142 A KR 20180136142A KR 20200052757 A KR20200052757 A KR 20200052757A
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문상봉
최윤기
김경준
윤영요
김윤범
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(주)엘켐텍
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Abstract

A membrane electrode assembly (500) of the present invention includes: a polymer electrolyte membrane (502); a first electrochemical reaction layer (504) formed on one side of the polymer electrolyte membrane to conduct an oxidation reaction; a first electron conductive layer (506) formed between the polymer electrolyte membrane and the first electrochemical reaction layer; a second electrochemical reaction layer (508) formed on the other side of the polymer electrolyte membrane to conduct a reduction reaction; and a second electron conductive layer (518) formed between the polymer electrolyte membrane and the second electrochemical reaction layer.

Description

전기화학용 스택{Electrochemical Stack}Electrochemical Stack {Electrochemical Stack}

이 발명은 막전극접합체를 가지는 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 장치를 매우 콤팩트하게 하고, 부품수를 줄여 제작비용을 줄이며, 접촉점을 줄여 전기분해시 전기소모량을 줄일 수 있는 막전극접합체 및 이를 이용한 전기화학 셀과 전기화학용 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a stack having a membrane electrode assembly, more specifically, to make the device very compact, to reduce the manufacturing cost by reducing the number of parts, and to reduce the amount of electricity consumed during electrolysis by reducing the contact point and the membrane electrode assembly. It relates to the electrochemical cell used and the stack for electrochemistry.

일반적으로 전기화학 셀은 전기에너지를 이용하거나 전기에너지를 생성하는 에너지 변환 장치로, 전기분해 전지(electrolysis cell)와 연료전지(fuel cell)로 분류된다. 전기화학 셀의 실용화를 위해서는 연료전지의 경우 출력 밀도 향상(물 전기분해의 경우는 전기에너지 소비량 저하), 내구성의 향상 및 저비용화가 필요하다.In general, an electrochemical cell is an energy conversion device that uses electrical energy or generates electrical energy, and is classified into an electrolysis cell and a fuel cell. For practical use of the electrochemical cell, it is necessary to improve the power density in the case of a fuel cell (in the case of water electrolysis, decrease the consumption of electric energy), to improve durability and to lower the cost.

도 1 내지 도 4는 전형적인 전기화학 셀의 단위 구조, 전기화학용 스택 구조 및 시스템 구조를 나타낸 것이다.1 to 4 show a typical electrochemical cell unit structure, a stack structure for electrochemistry and a system structure.

도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀의 일부분을 구성하는 막전극접합체(100)의 개념도로서, 도 1의 하부는 구성요소 각층의 두께를 나타낸 것이다.1 is a conceptual diagram of a membrane electrode assembly 100 constituting a part of a typical electrolysis cell that electrochemically decomposes water to produce hydrogen gas and oxygen gas, and the lower portion of FIG. 1 shows the thickness of each component layer. .

물(H20)을 전기분해하여 산소가스(O2)와 수소가스(H2)를 생산하는 전기분해용 전기화학 셀은 제1 전기화학 반응층(104), 제2 전기화학 반응층(108), 막(106), 제1 확산층(102) 및 제2 확산층(110)으로 이루어진다. 이때, 제1 전기화학 반응층(104)은 제1 전기화학 촉매(112)와 제1 담체(114)로 구성되고, 제2 전기화학 반응층(108)은 제2 전기화학 촉매(116)와 제2 담체(118)로 구성된다.The electrochemical cell for electrolysis that produces oxygen gas (O 2 ) and hydrogen gas (H 2 ) by electrolysis of water (H 2 0) includes a first electrochemical reaction layer 104 and a second electrochemical reaction layer ( 108), a film 106, a first diffusion layer 102 and a second diffusion layer 110. At this time, the first electrochemical reaction layer 104 is composed of a first electrochemical catalyst 112 and a first carrier 114, the second electrochemical reaction layer 108 is a second electrochemical catalyst 116 and It is composed of a second carrier (118).

제1 확산층(102)과 제2 확산층(110)은 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)로(또는 에서) 전자와 반응물 또는 생성물의 이동을 돕는다. 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)는 전기분해를 하거나 전기에너지를 만드는 가장 중요한 물질이며, 제1, 제2 담체(114, 118)는 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)의 지지체 역할과 전자의 이동경로를 제공한다.The first diffusion layer 102 and the second diffusion layer 110 assist the transfer of electrons and reactants or products to (or in) the first and second electrochemical catalysts 112 and 116. The first and second electrochemical catalysts 112 and 116 are the most important materials for electrolysis or electric energy generation, and the first and second carriers 114 and 118 are first and second electrochemical catalysts 112 and 112, respectively. 116) provides the role of support and the electron's movement path.

제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)는 제1, 제2 담체(114, 118), 바인더(Binder) 및 용매(Solvent)와 같이 혼합되어 슬러리(Slurry)나 페이스트(Paste) 상태로 만들어진 후, 막(106)에 도포하거나 또는 제1, 제2 확산층(102, 110)에 도포하여 제1, 제2 전기화학 반응층(104, 108)으로 만들어진다. 이때, 이와 같이 만들어진 "전기화학 반응층(104, 108)-막(106)" 또는 "전기화학 반응층(104, 108)-막(106)-확산층(102, 110)"을 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 "MEA"라 함)라고 한다.The first and second electrochemical catalysts 112 and 116 are mixed together with the first and second carriers 114 and 118, a binder, and a solvent to form a slurry or paste. After being made, it is made of first and second electrochemical reaction layers 104 and 108 by applying to the film 106 or by applying to the first and second diffusion layers 102 and 110. At this time, the "electrochemical reaction layer (104, 108)-membrane 106" or "electrochemical reaction layer (104, 108)-membrane 106-diffusion layer (102, 110)" made in this way is a membrane electrode assembly ( It is called Membrane Electrode Assembly (hereinafter referred to as "MEA").

MEA에 형성된 제1 전기화학 반응층(104)과 제2 전기화학 반응층(108)의 간격은 물리적인 막의 두께 값을 가지며, 제1 전기화학 반응층(104)과 제2 전기화학 반응층(108) 내에는 기포가 존재하지 않아 저전압, 고전류의 운전이 가능하다. 또한, 알카리 전기분해 셀에서와 같이 전해액의 전도성을 이용하지 않기 때문에 원료인 물을 고순도로 사용가능하고, 이에 고순도의 수소와 산소를 얻을 수 있는 장점이 있다.The gap between the first electrochemical reaction layer 104 and the second electrochemical reaction layer 108 formed in the MEA has a physical film thickness value, and the first electrochemical reaction layer 104 and the second electrochemical reaction layer ( 108) Since there are no air bubbles inside, operation of low voltage and high current is possible. In addition, since the conductivity of the electrolytic solution is not used as in the alkaline electrolysis cell, water as a raw material can be used with high purity, and thus there is an advantage of obtaining high purity hydrogen and oxygen.

도 1에 도시된 구성을 이용하여, 물을 전기분해하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 산화 반응이 일어나는 곳을 제1 전기화학 반응층(104)으로 하고, 환원 반응이 일어나는 곳을 제2 전기화학 반응층(108)으로 하며, 산화 반응과 환원 반응은 동시에 일어난다.The process of electrolysis of water using the configuration shown in FIG. 1 is as follows. Here, the place where the oxidation reaction takes place as the first electrochemical reaction layer 104, and the place where the reduction reaction occurs as the second electrochemical reaction layer 108, the oxidation reaction and the reduction reaction occur simultaneously.

먼저, 물(H20)이 제1 확산층(102)을 거쳐 제1 전기화학 반응층(104)에 공급되면, 물은 제1 전기화학 촉매(112)(산화촉매, 양극 활물질, 산소가스 발생 전극)에서 아래 반응식 1과 같이 산소가스(O2)와 전자(e-) 그리고 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해반응이 일어난다. 이때, 산소가스(O2)는 전기분해 셀의 외부로 유출되며, 수소이온(H+)은 전기장에 의해 막(106)을 통과하여 제2 전기화학 촉매(116)(환원촉매, 음극활물질, 수소가스 발생극)로 이동하며, 전자(e-)는 제1 전기화학 촉매(112)에서 제1 확산층(102), 외부회로(미도시) 및 제2 확산층(110)을 거쳐 제2 전기화학 촉매(116)로 이동한다.First, when water (H 2 0) is supplied to the first electrochemical reaction layer 104 through the first diffusion layer 102, water generates a first electrochemical catalyst 112 (oxidation catalyst, positive electrode active material, oxygen gas) the decomposition reaction takes place by) and hydrogen ions (H +) (proton) - electrode), oxygen gas (O 2) and e (e as shown below in Scheme 1. At this time, the oxygen gas (O 2 ) is discharged to the outside of the electrolysis cell, and hydrogen ions (H + ) pass through the membrane 106 by the electric field to the second electrochemical catalyst 116 (reduction catalyst, cathode active material, See the hydrogen gas electrode), and electron (e -) is the first electrochemical catalyst 112 in the first diffusion layer 102, a second electrochemical through an external circuit (not shown) and a second diffusion layer (110) Move to catalyst 116.

한편, 제2 전기화학 촉매(116)에서는 제1 전기화학 촉매(112)에서 이동한 수소이온(H+)과 전자(e-)가 반응하여 반응식 2와 같이 수소가스(H2)가 생성된다. 그리고, 제1 전기화학 반응층(104)으로 공급된 물 중에서 일부는 전기장에 의해 제2 전기화학 반응층(108)으로 이동하여 수소가스(H2)와 함께 전기분해 셀의 외부로 유출된다.On the other hand, the second electrochemical catalyst 116 in a hydrogen ion (H +) and electrons (e -) moved in a first electrochemical catalyst 112 is hydrogen gas (H 2) as shown in Scheme 2 by the reaction are generated . Then, some of the water supplied to the first electrochemical reaction layer 104 moves to the second electrochemical reaction layer 108 by an electric field and flows out to the outside of the electrolysis cell together with hydrogen gas (H 2 ).

제1 전기화학 촉매(112)와 제2 전기화학 촉매(116)에서 각각 일어난 전기화학적 반응을 표현하면 아래의 반응식 1 및 반응식 2와 같다.Representing the electrochemical reactions occurring in the first electrochemical catalyst 112 and the second electrochemical catalyst 116, respectively, are as shown in Reaction Schemes 1 and 2 below.

[반응식 1][Scheme 1]

2H2O → 4H+ + 4e- + O2 (양극) 2H 2 O → 4H + + 4e - + O 2 ( positive electrode)

[반응식 2][Scheme 2]

4H+ + 4e- → 2H2 (음극) 4H + + 4e - → 2H 2 ( cathode)

한편, 연료전지의 경우에는 물의 전기분해와 역으로 반응이 발생하게 되며, 이를 설명하면 다음과 같다.On the other hand, in the case of a fuel cell, reaction occurs inversely with the electrolysis of water, which will be described below.

먼저, 수소가스를 제1 전기화학 반응층으로 도입하고, 산소가스를 제2 전기화학 반응층으로 공급한다. 그러면, 수소가스는 제1 전기화학 촉매에서 전기화학 반응에 의해 수소이온(양성자)과 전자로 전환되어, 전자는 전기적으로 연결된 외부 부하를 통해서 양성자는 막을 지나 제2 전기화학 촉매로 이동한다. 그러면, 제2 전기화학 촉매에서는 제1 전기화학 촉매에서 생성 이동한 양성자 및 전자가 외부에서 공급된 산소가스와 반응하여 물, 에너지 및 열이 생성된다.First, hydrogen gas is introduced into the first electrochemical reaction layer, and oxygen gas is supplied to the second electrochemical reaction layer. Then, the hydrogen gas is converted into hydrogen ions (protons) and electrons by the electrochemical reaction in the first electrochemical catalyst, and the electrons pass through the membrane to the second electrochemical catalyst through an electrically connected external load. Then, in the second electrochemical catalyst, protons and electrons generated and moved in the first electrochemical catalyst react with oxygen gas supplied from the outside to generate water, energy, and heat.

도 2는 도 1의 MEA를 구비하여 물을 전기분해하는 전형적인 전기화학 셀의 구조도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(200)은 제1 엔드플레이트(202)(End Plate), 제1 절연판(204), 제1 전류공급판(206), 제1 전기화학 반응실 프레임(208), 제1 전기화학 반응실(210), MEA(도 1의 100), 제2 전기화학 반응실(212), 제2 전기화학 반응실 프레임(214), 제2 전류공급판(216), 제2 절연판(218) 및 제2 엔드플레이트(220)로 구성되며, 전기화학 셀에 전류를 공급하는 전력변환장치(224)로 직류전원 공급장치가 있다.2 is a structural diagram of a typical electrochemical cell for electrolysis of water with the MEA of FIG. 1. As shown in Figure 2, the electrochemical cell 200 is a first end plate 202 (End Plate), a first insulating plate 204, a first current supply plate 206, the first electrochemical reaction chamber frame 208, first electrochemical reaction chamber 210, MEA (100 in FIG. 1), second electrochemical reaction chamber 212, second electrochemical reaction chamber frame 214, second current supply plate 216 ), A second insulating plate 218 and a second end plate 220, and a DC power supply as a power conversion device 224 that supplies current to the electrochemical cell.

제1 엔드플레이트(202)와 제2 엔드플레이트(220)는 단위 전기화학 셀 조립을 위한 볼트/너트 체결 구멍(미도시), 반응물 및 생성물의 통로(미도시) 기능을 제공하며, 제1 절연판(204)과 제2 절연판(218)은 각각 제1 엔드플레이트(202)와 제1 전류공급판(206) 사이 및 제2 엔드플레이트(220)와 제2 전류공급판(216) 사이에서의 전기적 절연 기능을 하고, 제1 전류공급판(206)과 제2 전류공급판(216)은 전력변환장치(224)와 연결되어 전기화학 셀(200)에 필요한 전류를 공급하는 역할을 한다.The first end plate 202 and the second end plate 220 provide bolt / nut fastening holes (not shown), passages of reactants and products (not shown) for assembling unit electrochemical cells, and a first insulating plate 204 and the second insulating plate 218 are electrically between the first end plate 202 and the first current supply plate 206 and between the second end plate 220 and the second current supply plate 216, respectively. The insulating function, the first current supply plate 206 and the second current supply plate 216 is connected to the power conversion device 224 serves to supply the current required for the electrochemical cell 200.

한편, 제1 전기화학 반응실(210)에 제1 전기화학 촉매(112)가 위치하여 산화 반응이 일어나는 경우, 반응물인 물과 생성물인 산소의 이동을 위한 공간이 되며, 막(106)을 중심으로 제1 전기화학 반응실(210)의 반대편에 위치하는 제2 전기화학 반응실(212)에서는 환원 반응에 의해 생성된 수소와 제1 전기화학 반응실(210)에서 이동한 물의 이동을 위한 공간이 제공된다.On the other hand, when the first electrochemical catalyst 112 is located in the first electrochemical reaction chamber 210 and an oxidation reaction occurs, it becomes a space for the movement of water as a reactant and oxygen as a product, and focuses on the membrane 106 In the second electrochemical reaction chamber 212 located on the opposite side of the first electrochemical reaction chamber 210, a space for the movement of hydrogen generated by the reduction reaction and water moved in the first electrochemical reaction chamber 210 Is provided.

제1 전기화학 반응실(210)은 제1 전기화학 반응실 프레임(208)에 의해 외부와 차단되고, 제2 전기화학 반응실(212)은 제2 전기화학 반응실 프레임(214)에 의해 외부와 차단된다. 그리고, MEA(100)와 제1 전기화학 반응실 프레임(208), 제2 전기화학 반응실 프레임(214) 사이에는 반응물과 생성물의 외부 누설을 막는 가스켓(또는 패킹)(222)이 각각 설치된다.The first electrochemical reaction chamber 210 is blocked from the outside by the first electrochemical reaction chamber frame 208, and the second electrochemical reaction chamber 212 is external by the second electrochemical reaction chamber frame 214. And is blocked. In addition, a gasket (or packing) 222 to prevent external leakage of reactants and products is installed between the MEA 100, the first electrochemical reaction chamber frame 208, and the second electrochemical reaction chamber frame 214. .

전기화학 셀(200)을 구성하는 구성요소 중에서 제1 전기화학 반응실 프레임(208), 제2 전기화학 반응실 프레임(214), 가스켓(222)은 전기화학 셀을 통하여 반응물 또는 생성물의 유입 및 유출이 용이하도록 적당한 홀을 가지며, 제1 전기화학 반응실 프레임(208)과 제2 전기화학 반응실 프레임(214)에는 유로(도 2의 (가)에 점선으로 표시됨)가 형성되어 있다.Among the components constituting the electrochemical cell 200, the first electrochemical reaction chamber frame 208, the second electrochemical reaction chamber frame 214, and the gasket 222 are introduced into the reactant or product through the electrochemical cell and It has a suitable hole to facilitate the outflow, and the first electrochemical reaction chamber frame 208 and the second electrochemical reaction chamber frame 214 are formed with a flow path (indicated by a dotted line in Fig. 2A).

한편, 다른 전기화학 셀(200)은 제2 전기화학 반응실 프레임(214)과 제2 전류공급판(216) 사이에 전기화학 셀(200)의 균형을 유지하기 위한 압력패드(미도시, 도 3의 304 참조)를 갖기도 한다.Meanwhile, another electrochemical cell 200 is a pressure pad (not shown) for maintaining the balance of the electrochemical cell 200 between the second electrochemical reaction chamber frame 214 and the second current supply plate 216. 3, 304).

도 3은 종래의 일반적인 전기화학용 스택의 개념도이다. 전기분해 반응에서 원하는 양의 생성물을 얻기 위해서는 단위 전기화학 셀이 복수개 필요하며, 이때 2개 이상 적층한 전기화학 셀들의 접합체를 전기화학용 스택이라고 한다.3 is a conceptual diagram of a conventional general electrochemical stack. In order to obtain a desired amount of product in an electrolysis reaction, a plurality of unit electrochemical cells are required. At this time, a conjugate of two or more electrochemical cells stacked is called an electrochemical stack.

도 3에 도시된 바와 같이, 전기화학용 스택(300)을 구성하기 위해 전기화학 셀을 적층할 때, 기본 전기화학 셀(200) 사이에 원하는 수의 단위 전기화학 셀을 반복 설치한다. 이때, 단위 전기화학 셀들 사이에는 구성요소간의 압축을 유도하는 압력패드(304)를 넣어 설치한다. 전기화학용 스택에서 단위 전기화학 셀들은 제1, 제2 엔드플레이트(202, 220)의 가장자리에 형성된 구멍을 통해 볼트(306)와 너트(310)의 결합으로 조립된다.As shown in FIG. 3, when the electrochemical cells are stacked to form the electrochemical stack 300, a desired number of unit electrochemical cells are repeatedly installed between the basic electrochemical cells 200. At this time, the pressure pad 304 that induces compression between components is installed between unit electrochemical cells. In the electrochemical stack, the unit electrochemical cells are assembled by a combination of a bolt 306 and a nut 310 through holes formed at the edges of the first and second end plates 202 and 220.

도 4는 도 3의 전기화학용 스택과 동일 개념의 전기분해 스택을 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 시스템을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 수소 발생기 시스템(400)은 전기분해 스택(420), 전기분해 스택(420)에 공급하는 물을 처리하는 수처리부, 그리고 전기분해 스택(420)에서 발생되는 수소가스를 정제하고 압력을 제어하는 가스처리부로 구성된다.4 is a view showing a system for producing hydrogen by electrolysis of water using the electrolysis stack of the same concept as the electrochemical stack of FIG. The hydrogen generator system 400 illustrated in FIG. 4 purifies hydrogen gas generated from the electrolysis stack 420, a water treatment unit that processes water supplied to the electrolysis stack 420, and the electrolysis stack 420. It is composed of a gas processing unit that controls pressure.

전기분해 스택(420)에 사용하는 원료인 물은 1Mega ohm cm 이상의 순수가 사용되고, 순수는 순수 공급라인(s1) 중에 설치된 자동밸브(402)의 조절에 의해 공급되며, 자동밸브(402) 조절은 산소-물 분리조(404)의 수위 감지용 레벨센서(405)에 의해 제어된다(점선 e2). 산소-물 분리조(404)의 물은 순환배관(s2) 중에 설치된 순환펌프(406)에 의해 전기분해 스택(420)으로 공급되고, 수소-물 분리기(424)에서 순환되는 순환라인(s9)과 합쳐져 열교환기(408), 수질 감지센서(410) 및 이온교환필터(412)가 설치된 배관을 거쳐, 전기분해 스택(420)의 제1 전기화학 반응실(414, 산화 반응이 일어나는 곳)로 공급된다. 한편, 전력변환장치(440)에서 전선(e1)을 통하여 전기분해 스택(420)에 직류전류가 공급되면, 물 분해 반응이 일어나게 된다.As the raw material used for the electrolysis stack 420, 1Mega ohm cm or more of pure water is used, and pure water is supplied by the control of the automatic valve 402 installed in the pure water supply line s1, and the automatic valve 402 is regulated. It is controlled by the level sensor 405 for detecting the water level in the oxygen-water separation tank 404 (dotted line e2). Water in the oxygen-water separation tank 404 is supplied to the electrolysis stack 420 by a circulation pump 406 installed in the circulation pipe (s2), and the circulation line (s9) circulated in the hydrogen-water separator (424) Combined with the heat exchanger 408, the water quality sensor 410 and the ion exchange filter 412 through the piping is installed, to the first electrochemical reaction chamber 414 of the electrolysis stack 420 (where oxidation reaction occurs) Is supplied. On the other hand, when a direct current is supplied to the electrolysis stack 420 through the electric wire e1 in the power converter 440, a water decomposition reaction occurs.

제1 전기화학 반응실(414)에서 발생한 산소와 미반응 물은 배출배관(s4)을 거쳐 산소-물 분리조(404)로 이동되고, 배출배관(s4)에는 온도를 감시하는 온도센서(416)가 설치된다. 산소-물 분리조(404)에서 분리된 산소는 산소 배출배관(s5)을 통하여 외부로 배출되며, 물은 재순환 과정을 거치게 된다.Oxygen and unreacted water generated in the first electrochemical reaction chamber 414 are moved to the oxygen-water separation tank 404 through the discharge pipe s4, and the temperature sensor 416 monitors the temperature in the discharge pipe s4. ) Is installed. The oxygen separated from the oxygen-water separation tank 404 is discharged to the outside through the oxygen discharge pipe s5, and the water undergoes a recirculation process.

제2 전기화학 반응실(422)에서 발생한 수소가스에는 물이 동반되며, 배출관(s6)을 거쳐 수소-물 분리조(424)로 이동되어 가스와 물이 분리된다. 수소-물 분리조(424)에는 수위 조절을 위한 수위 감지용 레벨센서(426)가 구비된다. 만약, 수소-물 분리조(424)의 수위가 일정값 이상이 되면 자동밸브(428)가 오픈되어(전기적 신호 e3) 순환라인(s9)을 거쳐 순환배관(s2)으로 공급된다.Hydrogen gas generated in the second electrochemical reaction chamber 422 is accompanied by water, and is moved to a hydrogen-water separation tank 424 through a discharge pipe s6 to separate gas and water. The hydrogen-water separation tank 424 is provided with a level sensor 426 for water level detection for water level adjustment. If the water level of the hydrogen-water separation tank 424 is higher than a certain value, the automatic valve 428 is opened (electrical signal e3) and is supplied to the circulation pipe s2 through the circulation line s9.

한편, 수소-물 분리조(424)에서 분리된 수소가스는 가스배관(s7)을 거쳐 수소가스 정제기(430)로 공급되어 수소 중에 함유된 수분이 제거된다. 일반적으로 수소가스 정제기(430)는 흡습제가 충진된 베드가 적용된다. 수소가스 정제기(430)를 거친 수소는 고순도 수소가스배관(s8)을 거쳐 수소를 필요로 하는 현장에 공급된다. 이때, 고순도 수소가스배관(s8)에는 수소의 압력을 조절하는 압력조절밸브(434)가 있어 전기분해 스택(420)에서 발생하는 수소가스의 압력이 조절된다. 압력조절밸브(434)의 전단과 후단에는 압력을 측정하는 압력센서(432, 438)가 설치되고, 가스의 흐름을 일정 방향으로 유지하는 체크밸브(436)가 설치된다.Meanwhile, the hydrogen gas separated from the hydrogen-water separation tank 424 is supplied to the hydrogen gas purifier 430 through a gas pipe s7 to remove moisture contained in the hydrogen. In general, the hydrogen gas purifier 430 is applied with a bed filled with a hygroscopic agent. The hydrogen that has passed through the hydrogen gas purifier 430 is supplied to a site requiring hydrogen through a high purity hydrogen gas pipe (s8). At this time, the high-purity hydrogen gas pipe (s8) has a pressure control valve 434 for regulating the pressure of hydrogen, the pressure of the hydrogen gas generated in the electrolysis stack 420 is adjusted. Pressure sensors 432 and 438 for measuring pressure are installed at the front end and the rear end of the pressure regulating valve 434, and check valves 436 are installed to maintain the flow of gas in a predetermined direction.

상기와 같은 종래의 MEA(100), 전기화학 셀(200), 전기화학용 스택(300) 및 수소 발생기 시스템(400)은 다음과 같은 특성을 갖는다.The conventional MEA 100, the electrochemical cell 200, the electrochemical stack 300, and the hydrogen generator system 400 have the following characteristics.

첫째, 도 1 내지 도 3에서 알 수 있듯이, 전자의 이동 경로는 제1 전기화학 촉매(112)→제1 확산층(102)→제1 전기화학 반응실 프레임(208)→제1 전류 공급판(206)→전력변환장치(224)→제2 전류공급판(216)→압력패드(304)→제2 전기화학 반응실 프레임(214)→제2 확산층(110)→제2 전기화학 촉매(116)로 이루어진다.First, as can be seen in FIGS. 1 to 3, the electron movement path is the first electrochemical catalyst 112 → the first diffusion layer 102 → the first electrochemical reaction chamber frame 208 → the first current supply plate ( 206) → Power converter 224 → Second current supply plate 216 → Pressure pad 304 → Second electrochemical reaction chamber frame 214 → Second diffusion layer 110 → Second electrochemical catalyst 116 ).

둘째, 도 1에서 알 수 있듯이, 양성자의 이동 경로는 제1 전기화학 촉매(112)→막(106)→제2 전기화학 촉매(116)로 이루어진다.Second, as can be seen in Figure 1, the path of movement of the proton consists of a first electrochemical catalyst 112 → membrane 106 → second electrochemical catalyst 116.

셋째, 단위 전기화학 셀은 제1 전기화학 촉매(112)에 의해 전기화학 반응이 일어나는 제1 전기화학 반응실(210)과, 제2 전기화학 촉매(116)에 의해 전기화학 반응이 일어나는 제2 전기화학 반응실(212)의 공간을 각각 갖는다. 즉, 단위 전기화학 셀은 2개의 전기화학 반응실 공간을 갖는다.Third, the unit electrochemical cell includes a first electrochemical reaction chamber 210 in which an electrochemical reaction occurs by the first electrochemical catalyst 112 and a second electrochemical reaction in which the second electrochemical catalyst 116 occurs. Each of the electrochemical reaction chambers 212 has a space. That is, the unit electrochemical cell has two electrochemical reaction chamber spaces.

넷째, 제1 전기화학 반응실(210)은 제1 전기화학 반응실 프레임(208)의 구조에 의해 형성되고, 제2 전기화학 반응실(212)은 제2 전기화학 반응실 프레임(214)의 구조에 의해 형성된다. 따라서, 제1, 제2 전기화학 반응실(210, 212)의 공간은 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(208, 214)이라는 고체를 통해 이동하는 전자의 경로와, 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(208, 214)의 빈공간을 통해 이동하는 가스 또는 액체인 반응물, 생성물의 경로가 충돌하면서 전자와 전해질의 이동을 위한 유로(도 2의 (가) 참조)를 제공한다.Fourth, the first electrochemical reaction chamber 210 is formed by the structure of the first electrochemical reaction chamber frame 208, and the second electrochemical reaction chamber 212 is of the second electrochemical reaction chamber frame 214. It is formed by the structure. Accordingly, the spaces of the first and second electrochemical reaction chambers 210 and 212 are the paths of electrons traveling through the solids of the first and second electrochemical reaction chamber frames 208 and 214, and the first and second A path for the movement of electrons and electrolytes (see FIG. 2 (a)) is provided while the paths of reactants and products, which are gases or liquids moving through the empty spaces of the electrochemical reaction chamber frames 208 and 214 collide.

물 전기분해에 있어서 전기화학 셀의 실용화를 위한 과제로는 전기에너지 소비량 저감(연료전지의 경우 출력 밀도 향상), 내구성의 향상 및 저비용화인데, 이러한 관점에서 종래의 MEA(100), 전기화학 셀(200) 및 전기화학용 스택(300)은 다음과 같은 문제점을 갖는다.In water electrolysis, the tasks for practical use of an electrochemical cell are reduction of electric energy consumption (in the case of a fuel cell, improvement of output density), improvement of durability, and cost reduction. In this regard, the conventional MEA 100, an electrochemical cell 200 and the electrochemical stack 300 has the following problems.

첫째, 도 1 및 도 2와 같이 제1 전기화학 촉매(112)에서 발생한 전자의 이동 경로가 한쪽 경로에서는 약 215㎛ 이상, 양쪽 경로에서는 430㎛(215x2) 이상으로 저항이 크고, 이를 도 3과 같이 전기화학용 스택(300)을 구성할 경우, 전자의 이동경로와 접촉점이 기하급수적으로 증가하게 되어 접촉점에서의 전압강하로 인한 에너지 손실이 발생되어 전기분해 효율이 감소한다. 즉, 전기분해시 에너지 소비량이 매우 커지는 단점이 있다.First, as shown in FIGS. 1 and 2, the movement path of electrons generated in the first electrochemical catalyst 112 is greater than or equal to about 215 μm in one path and greater than or equal to 430 μm (215x2) in both paths. Similarly, when the electrochemical stack 300 is configured, an electron movement path and a contact point increase exponentially, resulting in energy loss due to a voltage drop at the contact point, thereby reducing electrolysis efficiency. That is, there is a disadvantage in that the energy consumption during electrolysis becomes very large.

둘째, 도 2와 같이 전기화학 셀(200)의 구조는 전자와 반응물/생성물이 제1 전기화학 촉매 및 제2 전기화학 촉매의 방향(즉, 같은 방향)으로 이동하는 구조를 가지고 있다. 따라서, 고체를 따라 이동하는 전자와 빈공간을 따라 이동하는 반응물/생성물의 이동 경로를 각각 확보하여야 하기 때문에, 도 2의 (가)와 같이 복잡한 유로를 가져야 함에 따른 제조비용 상승의 원인이 된다.Second, as shown in FIG. 2, the structure of the electrochemical cell 200 has a structure in which electrons and reactants / products move in the directions of the first electrochemical catalyst and the second electrochemical catalyst (ie, in the same direction). Therefore, since the movement paths of the electrons moving along the solid and the reactants / products moving along the empty space must be secured, it causes a increase in manufacturing cost due to having a complicated flow path as shown in Fig. 2A.

셋째, 전기화학 셀(200)은 제1 전기화학 반응실 프레임(208)과 제2 전기화학 반응실 프레임(214), 즉 2개의 전해실로 구성되므로 전기화학용 스택(300)을 구성할 때 많은 구성요소가 요구되어 비용 상승 및 성능 저하의 원인이 된다.Third, since the electrochemical cell 200 is composed of a first electrochemical reaction chamber frame 208 and a second electrochemical reaction chamber frame 214, that is, two electrolytic chambers, many electrochemical cell stacks 300 are formed. Components are required, which increases costs and degrades performance.

넷째, 전기화학용 스택(300) 내에 복수개의 단위 전기화학 셀을 구성할 때, 각 구성요소들 사이의 접촉을 균일하게 하고, 또한 원하는 만큼의 압력을 유지하기 위해서는 구성요소의 높은 가공 정밀도가 요구되기 때문에 비용 상승이 초래된다.Fourth, when constructing a plurality of unit electrochemical cells in the stack 300 for electrochemistry, high processing precision of the components is required in order to make the contact between each component uniform and maintain the desired pressure. Cost increases.

다섯째, 전기화학용 스택(300) 내에 복수개의 단위 전기화학 셀을 구성할 때, 구성요소들 사이의 접촉을 균일하게 하고, 또한 원하는 만큼의 압력을 유지하기 위해서는 엔드플레이트와 이를 결합하는 클램핑(clamping) 시스템의 구조가 복잡해지고, 볼트(306) 및 너트(310)를 이용한 클램핑에 많은 힘(torque)이 요구되어 비용 상승의 원인이 된다.Fifth, when configuring a plurality of unit electrochemical cells in the stack 300 for electrochemistry, in order to maintain uniform pressure between the components and to maintain the desired pressure, the end plate and the clamping coupling the same. ) The structure of the system is complicated, and a lot of torque is required for clamping using the bolt 306 and the nut 310, which causes a cost increase.

대한민국 특허등록 제10-1357146호Republic of Korea Patent Registration No. 10-1357146 대한민국 특허공개 제10-2008-0032962호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2008-0032962

따라서, 이 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전자 이동경로와 유체 이동 경로를 분리하여 전기에너지 소비량을 저감시키고, 내구성을 향상시키며, 제작비용을 줄일 수 있는 막전극접합체 및 이를 이용한 전기화학 셀과 전기화학용 스택을 제공하고자 한다.Therefore, the present invention is to solve the above problems, by separating the electron movement path and the fluid movement path to reduce the electrical energy consumption, improve the durability, and reduce the manufacturing cost membrane electrode assembly and electricity using the same We want to provide a stack for chemical cells and electrochemistry.

또한, 이 발명은 산화반응 및 환원반응이 일어나는 전기화학 반응실 내에 2개의 MEA의 전기화학 반응층을 내장함으로써 장치를 매우 콤팩트하게 하고, 부품수를 대폭 저감하여 전기화학 셀의 제작비용을 대폭 저감하며, 전기저항의 상승 원인이 되는 접촉점을 대폭 줄여 전기분해시 전기소모량을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 운전비용을 저감할 수 있는 막전극접합체 및 이를 이용한 전기화학 셀과 전기화학용 스택을 제공하고자 한다.In addition, the present invention makes the device very compact by embedding two MEA electrochemical reaction layers in the electrochemical reaction chamber where oxidation and reduction reactions occur, and significantly reduces the number of parts, significantly reducing the manufacturing cost of the electrochemical cell. In addition, it is intended to provide a membrane electrode assembly and an electrochemical cell and an electrochemical stack using the same, as well as a membrane electrode assembly that can significantly reduce the amount of electricity consumed during electrolysis by significantly reducing the contact point that causes an increase in electrical resistance. .

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 막전극접합체는, 고분자 전해질 막과, 상기 고분자 전해질 막의 일측에 형성되어 산화반응이 일어나는 제1 전기화학 반응층과, 상기 고분자 전해질 막과 제1 전기화학 반응층의 사이에 형성되는 제1 전자 전도층과, 상기 고분자 전해질 막의 타측에 형성되어 환원반응이 일어나는 제2 전기화학 반응층, 및 상기 고분자 전해질 막과 제2 전기화학 반응층의 사이에 형성되는 제2 전자 전도층을 포함하는 것을 특징으로 한다. The membrane electrode assembly of the present invention for achieving the above object is a polymer electrolyte membrane, a first electrochemical reaction layer formed on one side of the polymer electrolyte membrane to undergo an oxidation reaction, the polymer electrolyte membrane and the first electrochemistry A first electroconductive layer formed between the reaction layers, a second electrochemical reaction layer formed on the other side of the polymer electrolyte membrane and a reduction reaction occurs, and formed between the polymer electrolyte membrane and the second electrochemical reaction layer It characterized in that it comprises a second electron conductive layer.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 제1 전자 전도층과 제2 전자 전도층은 각각 0.1 ~ 5㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다. Further, according to the present invention, the first electron conductive layer and the second electron conductive layer are characterized in that each has a thickness of 0.1 ~ 5㎛.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 제1 전자 전도층과 제2 전자 전도층은 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 탄소, 금, 탄탈륨, 주석, 인듐, 니켈, 텅스텐, 망간 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다. Further, according to the present invention, the first electron conductive layer and the second electron conductive layer are any one of platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, carbon, gold, tantalum, tin, indium, nickel, tungsten, and manganese. It is characterized by being configured.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 제1 전기화학 반응층 및 제2 전기화학 반응층은 각각 촉매 잉크로 이루어지고, 상기 촉매 잉크는 전기화학 촉매, 담체, 고분자 전해질 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, according to the present invention, the first electrochemical reaction layer and the second electrochemical reaction layer are each made of catalyst ink, and the catalyst ink is characterized by comprising an electrochemical catalyst, a carrier, a polymer electrolyte and a solvent. .

또한, 이 발명에 따르면, 상기 전기화학 촉매는 백금, 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소, 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨 및 알루미늄 중 어느 하나의 금속, 이들의 합금, 산화물 및 복산화물 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, according to the present invention, the electrochemical catalyst is any of platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium platinum group elements, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium and aluminum. It is characterized by being composed of any one of one metal, their alloys, oxides and complex oxides.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 전기화학 촉매는 0.5 ~ 20㎚의 입경을 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, according to this invention, the electrochemical catalyst is characterized by having a particle diameter of 0.5 ~ 20㎚.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 담체는 티타늄 산화물, 카본블랙, 그래파이트, 흑연, 활성탄, 카본 파이버, 카본 나노튜브 및 풀러린 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, according to the present invention, the carrier is characterized by consisting of any one of titanium oxide, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotubes and fullerene.

또한, 이 발명에 따르면, 상기 담체는 10 ~ 1,000㎚의 입경을 갖는 것을 특징으로 한다. In addition, according to this invention, the carrier is characterized by having a particle diameter of 10 ~ 1,000 ㎚.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 전기화학 셀은, 상기와 같이 구성된 막전극접합체와, 산화반응 또는 환원반응이 발생하고 그에 따른 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 상기 막전극접합체를 기준으로 양측에 순차적으로 배열되는 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임, 제1, 제2 절연판 및 제1, 제2 엔드플레이트와, 상기 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임에 각각 접속되어 전류를 공급하는 전력변환장치를 포함하며, 상기 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임은 상기 막전극접합체의 제1, 제2 전기화학 반응층을 각각 수용하는 전기화학 반응실을 각각 갖는 것을 특징으로 한다. The electrochemical cell of the present invention for achieving the above object, the membrane electrode assembly configured as described above, the oxidation or reduction reaction occurs, and the membrane electrode assembly in a form capable of supplying and discharging reactants and products accordingly The first and second electrochemical reaction chamber frames, the first and second insulating plates and the first and second end plates, which are sequentially arranged on both sides, are connected to the first and second electrochemical reaction chamber frames, respectively. The first and second electrochemical reaction chamber frames have an electrochemical reaction chamber that receives the first and second electrochemical reaction layers of the membrane electrode assembly, respectively. It is characterized by.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 전기화학용 스택은, 상기와 같이 구성된 다수개의 막전극접합체와, 산화반응 또는 환원반응이 발생하고 그에 따른 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 내측에서 외측 방향으로 양측에 순차적으로 배열되는 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임, 제1, 제2 절연판 및 제1, 제2 엔드플레이트와, 상기 다수개의 막전극접합체의 사이에 배치되어 동일 산화반응 또는 환원반응 성질을 가지는 상기 막전극접합체의 제1 전기화학 반응층 또는 제2 전기화학 반응층을 2개씩 수용하는 전기화학 반응실을 각각 갖는 다수개의 제3 전기화학 반응실 프레임, 및 상기 제1, 제2, 제3 전기화학 반응실 프레임에 각각 접속되어 전류를 공급하는 전력변환장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.The stack for electrochemistry of the present invention for achieving the above object is a plurality of membrane electrode assembly configured as described above, an oxidation reaction or a reduction reaction occurs and the supply and discharge of reactants and products accordingly occurs inside The first and second electrochemical reaction chamber frames, which are sequentially arranged on both sides in the outward direction, are disposed between the first and second insulating plates and the first and second end plates, and the plurality of membrane electrode assemblies to perform the same oxidation. A plurality of third electrochemical reaction chamber frames each having an electrochemical reaction chamber accommodating two of the first electrochemical reaction layer or the second electrochemical reaction layer of the membrane electrode assembly having a reaction or reduction reaction property, and the agent It is characterized in that it comprises a power conversion device that is connected to each of the first, second, and third electrochemical reaction chamber frames to supply current.

이 발명은 양극 촉매→막 위의 전자 전도층→외부회로→막 위의 전자 전도층→음극 촉매 순으로 전자이동 경로가 형성되기 때문에, 양극 촉매→양극실 확산층→양극실 전류공급판→외부회로→압력패드→음극실 전류공급판→음극실 확산층→음극 촉매 순으로 전자이동 경로가 형성된 종래의 전기화학 셀보다 짧은 전자 이동 경로를 갖게 되므로, 전기화학 셀의 전류밀도-전압특성이 우수해져 전기분해시 에너지 소모량을 저감할 수 있다.In the present invention, the anode catalyst → electron conducting layer on the membrane → external circuit → electron conducting layer on the membrane → electron transfer path is formed in the order of cathode catalyst, so the anode catalyst → anode chamber diffusion layer → anode chamber current supply plate → external circuit → Pressure pad → Cathode chamber current supply plate → Cathode chamber diffusion layer → Cathode catalyst In order to have a shorter electron movement path than the conventional electrochemical cell in which the electron movement path is formed, the current density-voltage characteristic of the electrochemical cell becomes excellent, and The energy consumption during decomposition can be reduced.

또한, 이 발명은 전기화학 반응실 내에 MEA의 전기화학 반응층을 2개씩 내장하기 때문에 장치가 매우 콤팩트해지고, 전기화학용 스택을 구성할 때 종래의 전기화학 셀보다 부품수를 대폭 저감할 수 있어 전기화학 셀의 제작비용을 대폭 저감할 수 있다.In addition, since the present invention embeds two electrochemical reaction layers of MEA in the electrochemical reaction chamber, the device becomes very compact, and when constructing the electrochemical stack, the number of parts can be significantly reduced compared to the conventional electrochemical cell. The manufacturing cost of the electrochemical cell can be significantly reduced.

또한, 이 발명은 전기화학용 스택 구성시 종래의 전기화학 셀보다 구성 부품수가 대폭 저감되기 때문에, 전기저항의 상승 원인이 되는 접촉점도 종래의 전기화학 셀보다 대폭 줄일 수 있어 전기분해시 전기소모량을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 운전비용을 저감할 수 있다.In addition, in the present invention, since the number of component parts is significantly reduced compared to a conventional electrochemical cell when constructing an electrochemical stack, the contact point that causes an increase in electrical resistance can be significantly reduced compared to a conventional electrochemical cell, thereby reducing the amount of electricity consumed during electrolysis. Not only can it be drastically reduced, but it can also reduce operating costs.

도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀의 일부분인 MEA의 개념도이다.
도 2는 도 1의 MEA를 구비하여 물을 전기분해하는 전형적인 전기화학 셀의 구조도이다.
도 3은 종래의 일반적인 전기화학용 스택의 개념도이다.
도 4는 도 3의 전기화학용 스택을 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 MEA를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 MEA를 구비한 전기화학 셀의 구조도이다.
도 7은 도 6에 전기화학 셀을 적층하여 구성한 전기화학용 스택의 개념도이다.
도 8은 이 발명에 따른 발명예 1과 비교예 1의 성능을 비교하는 그래프이다.
도 9는 이 발명에 따른 발명예 2와 비교예 2의 성능을 비교하는 그래프이다.
1 is a conceptual diagram of MEA, which is a part of a typical electrolysis cell for electrochemically decomposing water to produce hydrogen gas and oxygen gas.
2 is a structural diagram of a typical electrochemical cell for electrolysis of water with the MEA of FIG. 1.
3 is a conceptual diagram of a conventional general electrochemical stack.
4 is a view showing a system for producing hydrogen by electrolysis of water using the electrochemical stack of FIG.
5 is a view showing a MEA according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a structural diagram of an electrochemical cell having MEA shown in FIG. 5.
7 is a conceptual diagram of an electrochemical stack constructed by stacking electrochemical cells in FIG. 6.
8 is a graph comparing the performance of Inventive Example 1 and Comparative Example 1 according to the present invention.
9 is a graph comparing the performance of Inventive Example 2 and Comparative Example 2 according to the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 이 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment that can be easily carried out by those of ordinary skill in the art to which this invention pertains. However, in the detailed description of the operation principle of the preferred embodiment of the present invention, if it is determined that a detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the same reference numerals are used for parts having similar functions and functions throughout the drawings.

도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 MEA를 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이 발명의 한 실시예에 따른 MEA(500)는 제1 전자 전도층(506), 제1 전기화학 반응층(504), 막(502), 제2 전자 전도층(518), 제2 전기화학 반응층(508)으로 구성된다. 이때, 제1 전자 전도층(506)과 제1 전기화학 반응층(504)은 막(502)의 일측에 순차적으로 형성되고, 제2 전자 전도층(518)과 제2 전기화학 반응층(508)은 막(502)의 타측에 순차적으로 형성된다.5 is a view showing a MEA according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the MEA 500 according to an embodiment of the present invention includes a first electron conducting layer 506, a first electrochemical reaction layer 504, a film 502, and a second electron conducting layer 518, the second electrochemical reaction layer 508. At this time, the first electron conductive layer 506 and the first electrochemical reaction layer 504 are sequentially formed on one side of the film 502, and the second electron conductive layer 518 and the second electrochemical reaction layer 508 ) Are sequentially formed on the other side of the film 502.

이 실시예의 MEA(500)에서 일어나는 물의 전기분해 반응은 다음과 같다. 여기서, 제1 전기화학 촉매는 산화반응(산소 발생반응)이 일어나고, 제2 전기화학 촉매는 환원반응(수소 발생반응)이 일어나는 것으로 하여 설명하기로 한다.The electrolysis reaction of water occurring in the MEA 500 of this embodiment is as follows. Here, the first electrochemical catalyst will be described as an oxidation reaction (oxygen generation reaction) occurs, and the second electrochemical catalyst will be a reduction reaction (hydrogen generation reaction).

먼저, 물(H20)이 제1 전기화학 촉매(510)(산화촉매, 산소촉매)로 공급되면, 산소가스(O2), 전자(e-) 및 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해된다. 이때, 물(H20)의 일부분은 산소가스(O2)와 함께 외부로 유출되며, 분해된 수소이온(H+)은 막(502)을 통과하여 제2 전기화학 촉매(516)(환원극, 수소극)로 이동된다. 그리고, 전자는 막(502) 위에 형성된 제1 전자 전도층(506)과 외부회로(미도시)를 따라 이동된다. 한편, 제1 전자 전도층(506)과 제2 전자 전도층(518)을 연결하는 외부회로(미도시)를 따라 이동된 전자(e-)와 제1 전기화학 촉매(510)에서 분해되어 이동된 수소이온이 반응하여 수소가스가 생성된다. 그리고, 수소이온(H+)과 동반하여 막(502)을 통과한 물(H20)은 수소가스와 함께 전기분해 셀의 외부로 유출된다. 이때, 제1 전기화학 촉매(510)와 제2 전기화학 촉매(516)에서 일어나는 전기화학적 반응은 앞서 언급한 반응식 1 및 반응식 2와 같다.First, when water (H 2 0) is supplied to the first electrochemical catalyst 510 (oxidation catalyst, oxygen catalyst), oxygen gas (O 2 ), electrons (e ) and hydrogen ions (H + ) (proton) Decomposes into At this time, a part of the water (H 2 0) flows out with oxygen gas (O 2 ), and the decomposed hydrogen ion (H + ) passes through the membrane 502 to the second electrochemical catalyst 516 (reduction) Pole, hydrogen pole). Then, electrons are moved along the first electron conductive layer 506 formed on the film 502 and an external circuit (not shown). Meanwhile, electrons (e ) moved along an external circuit (not shown) connecting the first electron conductive layer 506 and the second electron conductive layer 518 and decomposed and moved by the first electrochemical catalyst 510 Hydrogen ions are reacted to produce hydrogen gas. In addition, water (H 2 0) passing through the membrane 502 along with hydrogen ions (H + ) flows out of the electrolysis cell together with hydrogen gas. At this time, the electrochemical reactions occurring in the first electrochemical catalyst 510 and the second electrochemical catalyst 516 are the same as those of Reaction Schemes 1 and 2 mentioned above.

이 실시예의 막(502)은 수소이온(프로톤) 전도성을 가지는 것이면 되는데, 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질을 이용할 수 있다. 이때, 불소계 고분자 막으로는 예를 들면, 듀폰사의 Nafion(나피온, 등록상표), 아사히유리(주)의 Flemion(플레미온, 등록상표), 아사히카세이(주)의 Aciplex(아시플렉스, 등록상표), 고어사의 Gore Select(고어 셀렉트, 등록상표) 등이 이용될 수 있고, 탄화수소계 고분자 막으로는 설폰화 폴리에테르케톤, 설폰화 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리에테르에테르설폰, 설폰화 폴리설파이드, 설폰화 폴리페닐렌 등의 전해질 막이 이용될 수 있다. 이들 중에서도 고분자막으로 듀폰사의 Nafion(등록상표)계 재료를 이용하는 것이 적합하다.The membrane 502 of this embodiment may be any one having hydrogen ion (proton) conductivity, and a fluorine-based polymer electrolyte or a hydrocarbon-based polymer electrolyte may be used. At this time, as the fluorine-based polymer membrane, for example, Nafion (Nafion, registered trademark) of DuPont, Flemion (Flemion, registered trademark) of Asahi Glass Co., Ltd., Aciplex (Asiplex, registered trademark of Asahi Kasei Co., Ltd.) ), Gore's Gore Select (Gore Select, registered trademark), etc. may be used, and hydrocarbon-based polymer membranes include sulfonated polyether ketones, sulfonated polyethersulfones, sulfonated polyetherethersulfones, sulfonated polysulfides, An electrolyte membrane such as sulfonated polyphenylene can be used. Among these, it is suitable to use Nafion (registered trademark) -based material of DuPont as a polymer film.

이 실시예의 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)은 막(502)의 양면에 형성되는 것으로서, 전자전도의 기능을 한다. 이때, 막(502) 위에 형성되는 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 두께는 0.1 ~ 5㎛ 이며, 바람직하게는 0.5 ~ 3㎛ 이다. 이러한 이유는 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 두께가 0.1㎛ 이하일 경우 전자 전도층을 통한 전자의 이동시 저항 증가가 발생하고, 전자 전도층의 두께가 5㎛ 이상일 경우에는 과도한 전자 전도층의 형성으로 프로톤의 이동을 방해하여 이온 전도성이 낮아지는 문제가 발생하기 때문이다. 이러한 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 재질로는 전도성이 우수한 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 탄소, 금, 탄탈륨, 주석, 인듐, 니켈, 텅스텐, 망간 등의 금속이 가능하며 내화학성 관점에서 백금족이 바람직하다.The first and second electron conductive layers 506 and 518 of this embodiment are formed on both sides of the film 502 and function as electron conduction. At this time, the thickness of the first and second electron conductive layers 506 and 518 formed on the film 502 is 0.1 to 5 μm, and preferably 0.5 to 3 μm. For this reason, when the thickness of the first and second electron conductive layers 506 and 518 is 0.1 μm or less, an increase in resistance occurs when electrons move through the electron conductive layer, and when the thickness of the electron conductive layer is 5 μm or more, excessive electrons This is because the formation of a conductive layer interferes with the movement of protons, resulting in a problem of low ion conductivity. The materials of the first and second electron conductive layers 506 and 518 include platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, carbon, gold, tantalum, tin, indium, nickel, tungsten, and manganese, which have excellent conductivity. Metals are possible and platinum group is preferred from the viewpoint of chemical resistance.

이 실시예의 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)은 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)을 가지는 막(502)의 양면에 형성되는 것으로서, 촉매 잉크를 이용하여 형성된다. 제1 전기화학 반응층(504)을 위한 촉매 잉크는 적어도 제1 전기화학 촉매(510), 담체(512), 고분자 전해질 및 용매를 포함하고, 제2 전기화학 반응층(508)을 위한 촉매 잉크는 적어도 제2 전기화학 촉매(516), 담체(514), 고분자 전해질 및 용매를 포함한다.The first and second electrochemical reaction layers 504 and 508 of this embodiment are formed on both sides of the film 502 having the first and second electron conductive layers 506 and 518, and are formed using catalyst ink. do. The catalyst ink for the first electrochemical reaction layer 504 includes at least a first electrochemical catalyst 510, a carrier 512, a polymer electrolyte and a solvent, and a catalyst ink for the second electrochemical reaction layer 508 Includes at least a second electrochemical catalyst 516, a carrier 514, a polymer electrolyte, and a solvent.

이 실시예의 촉매 잉크에 포함되는 고분자 전해질로는 프로톤 전도성을 갖는 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질 등이 이용될 수 있다. 그리고, 불소계 고분자 전해질로는 예를 들면, 듀폰사의 Nafion(등록상표)계 재료 등이 이용될 수 있고, 탄화수소계 고분자 전해질로는 설폰화 폴리에테르케톤, 설폰화 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리에테르에테르설폰, 설폰화폴리설파이드, 설폰화 폴리페닐렌 등의 전해질이 이용될 수 있다. 그 중에서도 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)과 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 밀착성을 고려하면, 막(502)과 동일한 재료를 이용하는 것이 바람직하다.As the polymer electrolyte included in the catalyst ink of this embodiment, a fluorine-based polymer electrolyte having a proton conductivity, a hydrocarbon-based polymer electrolyte, or the like can be used. And, as the fluorine-based polymer electrolyte, for example, Nafion (registered trademark) -based material of DuPont may be used, and as the hydrocarbon-based polymer electrolyte, sulfonated polyether ketone, sulfonated polyether sulfone, and sulfonated polyether ether Electrolytes such as sulfone, sulfonated polysulfide, and sulfonated polyphenylene can be used. In particular, considering the adhesion between the first and second electrochemical reaction layers 504 and 508 and the first and second electron conductive layers 506 and 518, it is preferable to use the same material as the film 502.

이 실시예에서 이용하는 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516)로는 백금이나 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소 외, 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨, 알루미늄 등의 금속 또는 이들의 합금, 또는 산화물, 복산화물(複酸化物) 등이 사용될 수 있는데, 전극 반응성이 뛰어나고, 전극 반응을 효율적으로 안정되게 장기간 사용하기 위해 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속 또는 산화물이 사용되는 게 바람직하다.The first and second electrochemical catalysts 510 and 516 used in this embodiment include platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, and osmium platinum group elements, iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, and vanadium. , Molybdenum, gallium, aluminum, metals or alloys thereof, or oxides, complex oxides, etc. may be used, and the electrode reactivity is excellent, and the electrode reaction is efficiently and stably used for a long period of time. Platinum, palladium, It is preferred that one or two or more metals or oxides selected from rhodium, ruthenium and iridium are used.

이 실시예의 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516)는 입경이 너무 크면 촉매의 활성이 저하하고, 입경이 너무 작으면 촉매의 안정성이 저하하기 때문에, 입경은 0.5~20㎚가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1~5㎚이다.In the first and second electrochemical catalysts 510 and 516 of this embodiment, if the particle size is too large, the activity of the catalyst decreases, and if the particle size is too small, the stability of the catalyst decreases, so the particle size is preferably 0.5 to 20 nm. , More preferably 1 to 5 nm.

한편, 촉매를 담지하는 담체(또는 담지체)(512, 514)는 전자 전도성의 분말로 티타늄산화물, 카본 입자가 사용된다. 이들 담체는 미립자 형상으로 도전성을 가지고, 또한 촉매에 침범되지 않는 것이면 어떠한 것이 사용되더라도 상관은 없으나, 티타늄 산화물, 카본블랙, 그래파이트, 흑연, 활성탄, 카본 파이버, 카본 나노튜브, 풀러린(fullerene)이 사용되는 게 바람직하다.Meanwhile, the carrier (or carrier) 512, 514 supporting the catalyst is an electronically conductive powder, and titanium oxide and carbon particles are used. These carriers have a fine particle shape and conductivity, and any material may be used as long as they do not invade the catalyst, but titanium oxide, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotubes, and fullerene are used. It is desirable to be.

그리고, 담체(512, 514)는 입경이 너무 작으면 전자 전도 패스(electron conductive path)가 형성되기 어려워지고, 입경이 너무 크면 담체 위에 형성된 전극 촉매층으로의 가스 확산성이 저하하거나 촉매의 이용률이 저하하므로, 입경은 10~1,000㎚가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10~100㎚이다.In addition, when the particle diameter is too small, the carriers 512 and 514 have difficulty in forming an electron conductive path, and if the particle diameter is too large, gas diffusivity to the electrode catalyst layer formed on the carrier decreases or the utilization rate of the catalyst decreases. Therefore, the particle size is preferably 10 to 1,000 nm, more preferably 10 to 100 nm.

이 실시예의 막(502)의 크기(Dc)는 도 6에서 설명되는 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)의 크기 이상이고, 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 크기(Db)는 도 6에서 설명되는 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)의 크기 이하이며, 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)의 크기(Da)는 제1, 제2 전기화학 반응실(608, 610)의 내부 면적과 일치하게 제작되는 것이 바람직하다.The size Dc of the film 502 of this embodiment is greater than or equal to the size of the first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 described in FIG. 6, and the first and second electron conductive layers 506 and 518 ), The size (Db) is less than the size of the first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 described in FIG. 6, and the sizes of the first and second electrochemical reaction layers 504 and 508 (Da) ) Is preferably made to coincide with the inner areas of the first and second electrochemical reaction chambers 608 and 610.

아래에서는 이 발명의 실시예에 따른 MEA의 제조방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing MEA according to an embodiment of the present invention will be described.

제1 공정 : 막(502)의 전처리 공정1st process: pretreatment process of the film 502

막(502)의 전처리는 기계적 방법으로 막의 표면을 거칠게 하고, 막(502) 내에 존재하는 유기, 무기 불순물을 물리적, 화학적으로 처리하는 공정이다. 이에 대한 자세한 과정은 후술하기로 한다.The pre-treatment of the film 502 is a process of roughening the surface of the film by a mechanical method and physically and chemically treating organic and inorganic impurities present in the film 502. A detailed process of this will be described later.

제2 공정 : 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 형성 공정Second process: Formation process of first and second electron conductive layers 506 and 518

제1 공정에서 얻은 막(502)을 금속 전구체 용액에 일정시간 동안 침적시킨 후 환원 과정을 거쳐 막(502) 위에 전자전도 기능을 갖는 금속 박막층을 형성시킨다. 이때, 금속 박막층의 두께는 침적 환원 과정을 반복하여 형성시킨다. 이에 대한 자세한 과정은 후술하기로 한다.After the film 502 obtained in the first process is immersed in a metal precursor solution for a certain period of time, a metal thin film layer having an electron conductivity function is formed on the film 502 through a reduction process. At this time, the thickness of the metal thin film layer is repeatedly formed by a deposition reduction process. A detailed process of this will be described later.

제3 공정 : 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)의 형성 공정3rd process: the process of forming the first and second electrochemical reaction layers 504 and 508

제2 공정에서 얻은 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)을 가지는 막(502) 위에 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)을 형성시키는 공정으로 촉매 합성 공정, 촉매 잉크 제조 공정, 촉매 잉크 전사 공정, 및 열압착 공정으로 구성된다. 상기 촉매 합성 공정은 원하는 촉매의 전구체와 산화제와의 반응을 통하여 혼합 산화물을 얻고, 이를 건조하여 분말 구조의 전기화학 촉매를 얻는 공정이고, 촉매 잉크 제조 공정은 촉매 합성 공정에서 합성한 전기화학 촉매와 분체, 분산제, 막(502) 재질의 바인더 등을 혼합한 촉매잉크를 제조하는 공정이다. 또한, 촉매 잉크 전사 공정은 촉매 잉크 제조 공정에서 제조된 촉매 잉크를 스프레이 등을 이용하여 테프론 시트위에 전사한 후 건조하는 공정이고, 열압착 공정은 제2 공정에서 얻어진 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)을 가지는 막(502)의 양면에 촉매 잉크 전사 공정에서 얻어진 테프론 시트를 고착한 후, 이를 핫프레스 등을 이용하여 열압착하는 공정이다. 이에 대한 자세한 과정은 후술하기로 한다.A process for forming the first and second electrochemical reaction layers 504 and 508 on the film 502 having the first and second electron conductive layers 506 and 518 obtained in the second process. It consists of a manufacturing process, a catalyst ink transfer process, and a thermocompression process. The catalyst synthesis process is a process of obtaining a mixed oxide through the reaction of a desired catalyst precursor with an oxidizing agent, and drying it to obtain a powder structured electrochemical catalyst, and the catalyst ink manufacturing process is performed with the electrochemical catalyst synthesized in the catalyst synthesis process. It is a process to manufacture catalyst ink in which powder, dispersant, and binder of membrane 502 are mixed. In addition, the catalyst ink transfer process is a process in which the catalyst ink prepared in the catalyst ink manufacturing process is transferred onto a Teflon sheet using a spray or the like, and then dried, and the thermal compression process is performed on the first and second electron conductive layers obtained in the second process. This is a process of fixing the Teflon sheet obtained in the catalytic ink transfer process on both surfaces of the film 502 having (506, 518) and then thermocompressing it using a hot press or the like. A detailed process of this will be described later.

도 6은 도 5에 도시된 MEA를 구비한 전기화학 셀의 구조도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 전기화학 셀(600)은 제1 엔드플레이트(602), 제1 절연판(604), 제1 전기화학 반응실 프레임(606), 제1 전기화학 반응실(608), MEA(500), 제2 전기화학 반응실(610), 제2 전기화학 반응실 프레임(612), 제2 절연판(614), 및 제2 엔드플레이트(616)로 구성되며, 전기화학 셀(600)을 구동하기 위해 직류전원 공급장치가 전력변환장치(618)로 사용된다.FIG. 6 is a structural diagram of an electrochemical cell having MEA shown in FIG. 5. 6, the electrochemical cell 600 of this embodiment includes a first end plate 602, a first insulating plate 604, a first electrochemical reaction chamber frame 606, and a first electrochemical reaction chamber. 608, MEA 500, a second electrochemical reaction chamber 610, a second electrochemical reaction chamber frame 612, a second insulating plate 614, and a second end plate 616, which is composed of electricity In order to drive the chemical cell 600, a DC power supply is used as the power converter 618.

제1 엔드플레이트(602)와 제2 엔드플레이트(616)에는 전기화학 셀(600)의 조립을 위한 볼트/너트 체결 구멍(미도시)이 형성되고, 또한 반응물 및 생성물이 이동하는 통로(미도시)가 제공된다. 제1 절연판(604)과 제2 절연판(614)은 제1 엔드플레이트(602)와 제2 엔드플레이트(616) 사이의 전기분해 구성요소와 전기적 절연 기능을 하며, 제1 전기화학 반응실 프레임(606)과 제2 전기화학 반응실 프레임(612)은 전력변환장치(618)와 연결되어 전기화학 셀(600)에 필요한 전류를 공급하는 역할을 한다.A bolt / nut fastening hole (not shown) for assembling the electrochemical cell 600 is formed in the first end plate 602 and the second end plate 616, and a passage (not shown) through which reactants and products move ) Is provided. The first insulating plate 604 and the second insulating plate 614 function as an electrolytic component and an electrical insulation between the first end plate 602 and the second end plate 616, and the first electrochemical reaction chamber frame ( 606) and the second electrochemical reaction chamber frame 612 is connected to the power conversion device 618 and serves to supply the current required for the electrochemical cell 600.

이 실시예의 전기화학 셀(600)은 산화 반응(산소 반응)이 일어나는 제1 전기화학 반응실(608)과 환원 반응(수소 반응)이 일어나는 제2 전기화학 반응실(610)이 MEA(500)를 중심으로 서로 마주보는 형태를 갖는다. 한편, 제1 전기화학 반응실 프레임(606)은 제1 전기화학 반응실(608)과 외부를 차단하는 역할을 하고, 제2 전기화학 반응실 프레임(612)은 제2 전기화학 반응실(610)과 외부를 차단하는 역할을 하는 것으로서, 이러한 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)은 MEA(500)를 중심으로 서로 마주보는 형태를 갖는다.In the electrochemical cell 600 of this embodiment, the first electrochemical reaction chamber 608 in which an oxidation reaction (oxygen reaction) occurs and the second electrochemical reaction chamber 610 in which a reduction reaction (hydrogen reaction) occurs are MEA 500 It has a form facing each other with the center. Meanwhile, the first electrochemical reaction chamber frame 606 serves to block the first electrochemical reaction chamber 608 from the outside, and the second electrochemical reaction chamber frame 612 is the second electrochemical reaction chamber 610 ) And serves to block the outside, and the first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 face each other around the MEA 500.

제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)은 전기화학 셀(600)에 필요한 반응물 또는 전기화학 반응에 의해 생성된 생성물의 유입 및 유출이 용이하도록 적당한 홀을 가지며, 전류의 인출 및 인가를 위한 터미널 등을 구비할 수 있다. The first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 have suitable holes to facilitate inflow and outflow of reactants or products generated by the electrochemical reaction required for the electrochemical cell 600, and draw and withdraw current. A terminal for authorization may be provided.

도 7은 도 6에 전기화학 셀을 적층하여 구성한 전기화학용 스택의 개념도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 전기화학용 스택(700)은 기본 전기화학 셀(600)의 사이에 원하는 수(예를 들면, n개)의 단위 전기화학 셀을 반복 설치하여 구성한 것이다. 이때, 단위 전기화학 셀의 사이에는 MEA(500)가 다수개 설치되고, MEA(500)의 양측에는 제1 전기화학 반응실(702) 또는 제2 전기화학 반응실(704)을 각각 갖는 제3 전기화학 반응실 프레임이 교대로 배치되게 반복 설치된다.7 is a conceptual diagram of an electrochemical stack constructed by stacking electrochemical cells in FIG. 6. As shown in FIG. 7, the electrochemical stack 700 of this embodiment is constructed by repeatedly installing a desired number (eg, n) of unit electrochemical cells between the basic electrochemical cells 600. . At this time, a plurality of MEA 500 is installed between the unit electrochemical cells, the third having a first electrochemical reaction chamber 702 or a second electrochemical reaction chamber 704 on both sides of the MEA 500, respectively. The electrochemical reaction chamber frames are repeatedly installed to be alternately arranged.

제1 전기화학 반응실(702)은 제1 MEA(708a)의 제1 전기화학 반응층(710a)과 제2 MEA(708b)의 제2 전기화학 반응층(710b)을 수용하는 구조를 가지며, 제2 전기화학 반응실(704)은 제2 MEA(708b)의 제2 전기화학 반응층(712b)과 제3 MEA(708c)의 제3 전기화학 반응층(712c)을 수용하는 구조를 갖는다. 즉, 각각의 전기화학 반응실에는 동일 산화반응 또는 환원반응 성질을 가지는 전기화학 반응층이 각각 2개씩 수용된다.The first electrochemical reaction chamber 702 has a structure that accommodates the first electrochemical reaction layer 710a of the first MEA 708a and the second electrochemical reaction layer 710b of the second MEA 708b, The second electrochemical reaction chamber 704 has a structure that accommodates the second electrochemical reaction layer 712b of the second MEA 708b and the third electrochemical reaction layer 712c of the third MEA 708c. That is, two electrochemical reaction layers each having the same oxidation or reduction reaction properties are accommodated in each electrochemical reaction chamber.

제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)은 제1, 제2 전기화학 반응실(702, 704)을 외부와 각각 차단하는 역할을 한다. 한편, 제1, 제2, 제3 전기화학 반응실 프레임(606, 612)에는 전력변환장치(618)가 연결되는데, 각각의 전기화학 반응의 환경을 제공하기 위해 산화반응을 유도하는 경우에는 (+)극이 전력변환장치(618)와 연결되고, 환원반응을 유도하는 경우에는 (-)극이 전력변환장치(618)와 연결된다.The first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 serve to block the first and second electrochemical reaction chambers 702 and 704, respectively, from the outside. On the other hand, the first, second, and third electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 are connected to a power conversion device 618, when inducing an oxidation reaction to provide an environment for each electrochemical reaction ( The +) pole is connected to the power converter 618, and when inducing a reduction reaction, the (-) pole is connected to the power converter 618.

이 실시예의 전기화학용 스택(700) 내 전기화학 셀들은 제1, 제2 엔드플레이트(602, 616)에 형성된 구멍을 통해 볼트(720) 및 너트의 결합으로 조립된다. The electrochemical cells in the electrochemical stack 700 of this embodiment are assembled by a combination of bolts 720 and nuts through holes formed in the first and second end plates 602 and 616.

아래에서는 이 실시예의 발명예들과 기존의 비교예들에 대한 막전극접합체의 제조방법에 대해 각각 구체적으로 설명함과 더불어, 서로 간의 실험결과에 대해 설명한다. 하지만, 이 발명이 아래의 발명예들로 한정되는 것은 아니다.In the following, the method of manufacturing the membrane electrode assembly for the inventive examples and the comparative examples of this embodiment will be described in detail, and the experimental results of each other will be described. However, this invention is not limited to the following invention examples.

[발명예 1][Inventive Example 1]

1. MEA(500) 제조1. MEA (500) Manufacturing

(1) 제1 공정 : 막(502)의 전처리 공정(1) 1st process: pretreatment process of the film 502

막(502, 나피온 117)은 샌드페이퍼(Emery Sand Paper 1100CW)를 이용하여 4 방향으로 양면을 스크래칭한 후 90℃ 순수에서 팽윤 공정을 거친다. 팽윤 공정을 거친 막을 순수에서 초음파 처리를 통해 불순물을 제거하고, 3% 과산화수소(H2O2), 90℃ 0.5~1M황산(H2SO4)에서 각각 30분 동안 처리 후 다시 상기의 순수 공정을 반복한다.The membranes 502 and Nafion 117 are scratched on both sides in 4 directions using sandpaper (Emery Sand Paper 1100CW) and then subjected to a swelling process in 90 ° C pure water. After the swelling process, impurities are removed through ultrasonic treatment in pure water, and then treated in 3% hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and 90 ° C. 0.5 to 1M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) for 30 minutes, and then the pure water process is performed again. Repeat.

(2) 제2 공정 : 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 형성 공정(2) Second process: Formation process of first and second electron conductive layers 506 and 518

제1 공정을 거친 막(502)을 염화백금화물((NH3)4PtCl2*H2O) 전구체 용액에 5 시간 동안 침적시킨다. 침적과정을 거친 고분자 전해질 막을 순수로 세척하고, 금속 전구체를 환원시키기 위해 NaBH4 용액을 나누어 20분에 한번씩 총 2시간 동안 적하한다. 환원이 끝난 전자층을 갖는 고분자 전해질 막은 90℃에서 NaOH 용액에 1 시간 동안 담가서 처리한 후 순수로 다시 세척하여 상기의 함침 환원 과정을 원하는 수 만큼 반복하여 막(502) 위에 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)을 형성한다.The film 502 subjected to the first process is immersed in a precursor solution of platinum chloride ((NH 3 ) 4 PtCl 2 * H 2 O) for 5 hours. The polymer electrolyte membrane that has undergone the deposition process is washed with pure water, and the NaBH 4 solution is divided and dropped every 20 minutes for a total of 2 hours to reduce the metal precursor. The polymer electrolyte membrane having the reduced electron layer is immersed in a NaOH solution at 90 ° C. for 1 hour, washed again with pure water, and the above impregnation reduction process is repeated as many times as desired, and the first and second electrons are deposited on the membrane 502. Conductive layers 506 and 518 are formed.

(3) 제3 공정 : 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508) 형성 공정(3) Third process: first and second electrochemical reaction layer (504, 508) forming process

제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)의 형성 공정은 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)을 갖는 막(502) 위에 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)을 형성시키는 공정으로서, 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516) 합성 공정, 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516) 잉크 제조 공정, 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516) 잉크 전사 공정, 및 열압착 공정으로 구성된다.The process of forming the first and second electrochemical reaction layers 504 and 508 includes the first and second electrochemical reaction layers 504, on the film 502 having the first and second electron conductive layers 506 and 518. As a process for forming 508, the first and second electrochemical catalysts 510 and 516 synthesis process, the first and second electrochemical catalysts 510 and 516 ink manufacturing process, the first and second electrochemical catalysts ( 510, 516) and an ink transfer process.

(3-1) 제3-1 공정 : 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516)의 합성 공정(3-1) 3-1 process: synthesis process of first and second electrochemical catalysts 510 and 516

(3-1-1) 제1 전기화학 촉매(510)의 합성(3-1-1) Synthesis of the first electrochemical catalyst 510

질산나트륨 용액에서의 염화 이리듐(IrClxH2O)과 염화 루테늄(RuClxH2O)의 반응을 통하여 산화된 이리듐루테늄 혼합 촉매를 제조하였다. 그리고, 질산나트륨을 녹인 용액에 염화이리듐과 염화루테늄을 2시간가량 교반하여 균일하게 녹였다. 상기에서 제조한 혼합 촉매 용액을 100℃로 가열하여 증류수를 1시간 동안 증발시켜 농축시킨 다음, 전기로에서 475℃에서 1시간 동안 소결한 후 서서히 냉각시켰다. 그런 다음, 생성된 염화나트륨의 제거를 위하여 9L의 증류수로 세척 처리하여 여과시켰다. 얻어진 고형물을 80℃에서 12시간 동안 건조시켜 최종적인 이리듐루테늄 전기화학 혼합 촉매를 제조하였다.An iridium ruthenium mixed catalyst oxidized through a reaction of iridium chloride (IrCl 3 · xH 2 O) and ruthenium chloride (RuCl 3 · xH 2 O) in a sodium nitrate solution was prepared. Then, iridium chloride and ruthenium chloride were stirred for 2 hours in a solution in which sodium nitrate was dissolved, and uniformly dissolved. The mixed catalyst solution prepared above was heated to 100 ° C and concentrated by evaporating distilled water for 1 hour, and then sintered at 475 ° C for 1 hour in an electric furnace and then cooled slowly. Then, it was filtered by washing with 9 L of distilled water to remove the resulting sodium chloride. The resulting solid was dried at 80 ° C. for 12 hours to prepare a final iridium ruthenium electrochemical mixed catalyst.

(3-1-2) 제2 전기화학 촉매(516)의 합성(3-1-2) Synthesis of second electrochemical catalyst 516

제2 전기화학 촉매(516)로는 상용화된 Pt/C(Premetek사, 백금담질량 30%)를 사용하였다. As the second electrochemical catalyst 516, commercialized Pt / C (Premetek, platinum wall mass 30%) was used.

(3-2) 제3-2 공정 : 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516)의 잉크 제조 공정(3-2) 3-2 process: ink manufacturing process of the first and second electrochemical catalysts 510 and 516

(3-2-1) 제1 전기화학 촉매(510, 산소측 촉매)용 잉크 제조(3-2-1) Preparation of ink for the first electrochemical catalyst (510, oxygen-side catalyst)

제3-1 공정에서 제조된 산화 이리듐루테늄 촉매, 담체로는 나노 사이즈의 이산화 티타늄, 바인더로는 나피온 용액을 사용하였으며, 사용된 촉매와 Nafion ionomer는 고체 중량 대비 1:3.5가 되도록 이소프로필 알코올 용매에 혼합하였다. 촉매의 분산을 위하여 교반과 초음파를 번갈아 1시간씩 2번 처리하였다.Iridium ruthenium oxide catalyst prepared in the 3-1 process, nano-sized titanium dioxide as a carrier, and Nafion solution as a binder were used, and the used catalyst and the Nafion ionomer were isopropyl alcohol so that the solid weight was 1: 3.5. Mixed in solvent. In order to disperse the catalyst, stirring and ultrasonic waves were alternately treated twice for 1 hour.

(3-2-2) 제2 전기화학 촉매(516, 수소측 촉매)용 잉크 제조(3-2-2) Preparation of ink for second electrochemical catalyst (516, hydrogen-side catalyst)

제2 전기화학 촉매(516)로 Pt/C(Premetek사, 백금담질량 30%), 바인더로 나피온 용액(등록상품, 듀폰사)을 사용하였다. 사용된 촉매와 Nafion 용액은 고체 중량 대비 1:7.5가 되도록 이소프로필 알코올 용매에 혼합하였다. 촉매의 분산을 위하여 교반과 초음파를 번갈아 1시간씩 2번 처리하였다.As the second electrochemical catalyst 516, Pt / C (Premetek, platinum mass 30%), and a Nafion solution (registered product, DuPont) were used as a binder. The catalyst used and the Nafion solution were mixed in an isopropyl alcohol solvent so that the solid weight was 1: 7.5. In order to disperse the catalyst, stirring and ultrasonic waves were alternately treated twice for 1 hour.

(3-3) 제3-3 공정 : 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516)의 전사 공정(3-3) 3-3 process: transfer process of first and second electrochemical catalysts 510 and 516

(3-3-1) 제1 전기화학 반응층(504) 전사(3-3-1) First electrochemical reaction layer 504 transfer

폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 시트를 전사 시트로서 사용하였다. 제3-2 공정에서 얻은 제1 전기화학 촉매(510) 잉크를 전기방사(Electrospray) 전용 주사기에 옮기고, 촉매 잉크를 기재 위에 전사한 후 대기 분위기 중 90℃에서 30분간 건조시킴으로써 전기화학 촉매층을 제작하였다. 제1 전기화학 반응층(504)의 두께는 산화물 촉매 담지량이 약 4㎎/㎠가 되도록 조절하였다.Polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet was used as the transfer sheet. The electrochemical catalyst layer is prepared by transferring the ink of the first electrochemical catalyst 510 obtained in the step 3-2 to an electrospray syringe, transferring the catalyst ink onto the substrate and drying it at 90 ° C. for 30 minutes in an atmospheric atmosphere. Did. The thickness of the first electrochemical reaction layer 504 was adjusted so that the supported amount of the oxide catalyst was about 4 mg / cm 2.

(3-3-1) 제2 전기화학 반응층(518) 전사(3-3-1) Second electrochemical reaction layer 518 transfer

제3-2 공정에서 얻은 제2 전기화학 촉매(516) 잉크를 전기방사(Electrospray) 전용 주사기에 옮기고, 카본 시트에 전사한 후 대기 분위기 중 90℃에서 30분간 건조시킴으로써 전기화학 촉매층을 제작하였다. 제2 전기화학 반응층(518)의 두께는 산화물 촉매 담지량이 약 1㎎/㎠가 되도록 조절하였다.The electrochemical catalyst layer was prepared by transferring the ink of the second electrochemical catalyst 516 obtained in the step 3-2 to an electrospray syringe, transferring it to a carbon sheet, and drying it at 90 ° C. for 30 minutes in an atmospheric atmosphere. The thickness of the second electrochemical reaction layer 518 was adjusted so that the supported amount of the oxide catalyst was about 1 mg / cm 2.

(3-4) 제3-4 공정 : 열압착 공정(3-4) 3-4 process: thermocompression process

(3-4-1) 제1 전기화학 반응층(504) 형성(3-4-1) Formation of first electrochemical reaction layer 504

제2 공정에서 얻은 막(502) 위에 제3-3 공정에서 얻은 테프론 시트 위로 로딩된 제1 전기화학 촉매(510)를 120℃의 조건에서 10MPa의 압력으로 3분 동안 두 번 열압착을 하였다. 테프론 시트를 제거하여 촉매를 전사시켰다. The first electrochemical catalyst 510 loaded on the membrane 502 obtained in the second process over the Teflon sheet obtained in the process 3-3 was thermally compressed twice for 3 minutes at a pressure of 10 MPa at 120 ° C. The catalyst was transferred by removing the Teflon sheet.

(3-4-2) 제2 전기화학 반응층(508) 형성(3-4-2) Formation of second electrochemical reaction layer 508

상기에서 제작된 제1 전기화학 반응층(504)이 결합된 막(502)의 반대쪽 표면에 상기에서 제조된 제2 전기화학 촉매(516)가 로딩된 카본시트를 120℃의 조건에서 10MPa의 압력으로 2분 동안 열압착 처리를 하여 도 5에 도시한 것과 같은 MEA(500)를 얻었다.The carbon sheet loaded with the second electrochemical catalyst 516 prepared above on the opposite surface of the membrane 502 to which the first electrochemical reaction layer 504 prepared above is combined is subjected to a pressure of 10 MPa at 120 ° C. By heat-pressing for 2 minutes, MEA 500 as shown in FIG. 5 was obtained.

2. 평가용 전기화학 셀 및 평가 시스템2. Evaluation electrochemical cell and evaluation system

발명예 1의 MEA는 전기화학적 활성면적 314cm2(Da=20cm), 전자 전도층의 두께 0.5mm, Db=21cm, 면적은 346cm2 이며, 막의 크기 Dc=25cm이다. 제1 전기화학 반응층(504)에 티타늄 파이버 섬유를 제2 전기 화학 반응층(508)에 확산성이 큰 카본 파이버 섬유를 적층하여 평가를 진행했다. 평가는 도 2와 같은 개념의 평가용 셀과 도 4와 같은 개념의 수전해 시스템을 실제 제작하여 수행하였다.The MEA of Inventive Example 1 has an electrochemically active area of 314 cm 2 (Da = 20 cm), an electron conductive layer thickness of 0.5 mm, Db = 21 cm, an area of 346 cm 2 , and a membrane size Dc = 25 cm. The evaluation was performed by laminating titanium fiber fibers on the first electrochemical reaction layer 504 and carbon fiber fibers having high diffusivity on the second electrochemical reaction layer 508. The evaluation was performed by actually fabricating a cell for evaluation of the concept shown in FIG. 2 and a water electrolysis system of the concept shown in FIG. 4.

셀 온도는 80℃(도 4의 416 온도센서)를 유지했고, 전기분해 셀의 전류-전압 측정을 하였다. 한편, 수소의 배출 압력(도 4의 s8, 434를 이용하여 조절)은 약 10bar로 유지하였다.The cell temperature was maintained at 80 ° C (416 temperature sensor in FIG. 4), and current-voltage measurement of the electrolysis cell was performed. Meanwhile, the discharge pressure of hydrogen (adjusted using s8 and 434 in FIG. 4) was maintained at about 10 bar.

3. 측정 결과3. Measurement result

도 8에 나타낸 바와 같이, 발명예 1에 의해 제작된 MEA는 전류밀도가 증가하더라도 전압의 변화가 작은 것을 알 수 있다.8, it can be seen that the MEA produced by Inventive Example 1 had a small change in voltage even when the current density increased.

[비교예 1][Comparative Example 1]

1. MEA 제조(종래 방법에 따른 MEA 제조)1. MEA manufacturing (MEA manufacturing according to conventional methods)

막의 전처리 공정과 제1, 제2 전기화학 반응층의 형성 공정은 발명예 1과 각각 동일한 방법 및 조건으로 진행되었고, 제1, 제2 전자 전도층의 형성 공정은 발명예 1과의 비교를 위해 진행되지 않았다.The pretreatment process of the film and the formation of the first and second electrochemical reaction layers were performed in the same manner and conditions as those of Inventive Example 1, and the forming processes of the first and second electron conductive layers were compared with Inventive Example 1. Did not proceed.

2. 평가용 전기화학 셀 및 평가 시스템2. Evaluation electrochemical cell and evaluation system

비교예 1의 MEA(전기화학적 활성면적 314㎠)를 발명예 1의 전기화학 셀 및 평가 시스템에서 동일한 평가를 수행하였다.The same evaluation was performed on the MEA of Comparative Example 1 (electrochemically active area 314 cm 2) in the electrochemical cell of Example 1 and the evaluation system.

3. 측정 결과3. Measurement result

도 8에 나타낸 바와 같이, 전류밀도가 증가할수록 전압이 상당히 증가하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 8, it can be seen that the voltage increases significantly as the current density increases.

[발명예 1과 비교예 1의 평가][Evaluation of Inventive Example 1 and Comparative Example 1]

도 8은 발명예 1과 비교예 1에 대한 MEA의 전류밀도-전압 특성을 나타내는 것으로, (1)영역은 전기화학 촉매에 의해 성능의 우열이 나타나는 영역이고, (2)영역은 고전류 밀도 영역이다. 발명예 1의 전기화학 촉매와 비교예 1의 전기화학 촉매의 구성이 같기 때문에, 도 8에 나타낸 바와 같이 (1)영역에서는 발명예 1의 막과 비교예 1의 막이 비슷한 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 그런데, 발명예 1의 전자 전도층을 가지는 막이 전기화학 반응층으로의 전자전도성이 우수하기 때문에, 비교예 1의 막에 비해 고밀도 전류 영역인 (2)영역에서 저전압 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.FIG. 8 shows the current density-voltage characteristics of MEA for Inventive Example 1 and Comparative Example 1, where (1) is an area where superior performance of the electrochemical catalyst is exhibited, and (2) is a high current density area. . Since the composition of the electrochemical catalyst of Inventive Example 1 and the electrochemical catalyst of Comparative Example 1 are the same, as shown in FIG. 8, it can be seen that the membrane of Inventive Example 1 and the membrane of Comparative Example 1 exhibit similar performance in the region (1). have. By the way, it can be seen that the film having the electron conductive layer of Inventive Example 1 exhibits excellent electron conductivity to the electrochemical reaction layer, and thus exhibits low voltage characteristics in the region (2), which is a high-density current region, compared to the film of Comparative Example 1.

[발명예 2][Inventive Example 2]

1. MEA 제조1. MEA Manufacturing

발명예 1과 동일한 방법 및 조건으로 MEA를 제조하였다.MEA was prepared according to the same method and conditions as Inventive Example 1.

2. 전기화학용 스택 및 평가 시스템2. Electrochemical stack and evaluation system

발명예 1의 MEA를 도 7에 도시된 전기화학용 스택으로 제작하여 평가하였다. 이때, 전기화학 촉매층의 면적은 314㎠로 하였으며, 전기화학용 스택의 규모는 단위 전기화학 셀이 10개 적층되었다. 운전 조건은 발명예 1과 동일한 온도 및 압력에서 진행하였다.MEA of Inventive Example 1 was fabricated and evaluated as the electrochemical stack shown in FIG. 7. At this time, the area of the electrochemical catalyst layer was 314 cm 2, and the size of the electrochemical stack was 10 unit electrochemical cells stacked. The operating conditions were conducted at the same temperature and pressure as Example 1 of the invention.

3. 측정 결과3. Measurement result

도 9에 나타낸 바와 같이 발명예 2에 의해 제작된 MEA는 전류밀도가 증가하더라도 전력소비량의 변화가 작은 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 9, it can be seen that the MEA produced by Inventive Example 2 had a small change in power consumption even when the current density increased.

[비교예 2][Comparative Example 2]

1. MEA 제조1. MEA Manufacturing

비교예 1과 동일한 방법 및 조건으로 MEA를 제조하였다.MEA was prepared according to the same method and conditions as Comparative Example 1.

2. 전기화학용 스택2. Electrochemical Stack

비교예 1의 MEA를 도 3에 도시된 전기화학용 스택으로 제작하여 평가하였다. 발명예 2와 같이 전기화학 촉매층의 면적은 314㎠로 하였고, 전기화학용 스택의 규모는 단위 전기화학 셀이 10개 적층되었다. 운전 조건은 발명예 1과 동일한 온도 및 압력에서 진행하였다.The MEA of Comparative Example 1 was fabricated and evaluated as the electrochemical stack shown in FIG. 3. As in Inventive Example 2, the area of the electrochemical catalyst layer was 314 cm 2, and the scale of the electrochemical stack was stacked with 10 unit electrochemical cells. The operating conditions were conducted at the same temperature and pressure as Example 1 of the invention.

다. 측정 결과All. Measurement result

도 9에 나타낸 바와 같이 전류밀도가 증가할수록 전력소비량이 상당히 증가하는 것을 알 수 있다.9, it can be seen that as the current density increases, the power consumption amount increases significantly.

[발명예 2와 비교예 2의 평가][Evaluation of Inventive Example 2 and Comparative Example 2]

도 9는 발명예 2와 비교예 2에 대한 전기화학용 스택의 전류밀도-전력소비량 특성을 나타낸 것으로서, (1)영역은 전기화학 촉매에 의해 성능의 우열이 나타나는 영역이고, (2)영역은 전기화학 촉매 외 나머지 구성요소에 의해 성능의 우열이 나타내는 영역이다. 도 9에 나타낸 바와 같이 (1)영역에서는 발명예 2와 비교예 2의 전기화학 촉매의 구성이 같기 때문에 전기화학용 스택이 비슷한 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 그런데, 발명예 2의 전자 전도층을 가지는 전기화학용 스택의 구조는 전자전도성이 우수하기 때문에 수소 제조시 (2)영역에서 비교예 2의 전기화학용 스택에 비해 저에너지를 소모하는 것을 알 수 있다.FIG. 9 shows the current density-power consumption characteristics of the electrochemical stacks for Inventive Example 2 and Comparative Example 2, where (1) is an area in which performance superiority is exhibited by an electrochemical catalyst, and (2) is an area. This is the area indicated by the superiority of performance by the rest of the components besides the electrochemical catalyst. As shown in FIG. 9, in the area (1), the electrochemical catalysts of Inventive Example 2 and Comparative Example 2 have the same structure, and it can be seen that the electrochemical stack exhibits similar performance. However, since the structure of the electrochemical stack having the electron conductive layer of Inventive Example 2 is excellent in electron conductivity, it can be seen that when producing hydrogen, it consumes low energy compared to the electrochemical stack of Comparative Example 2 in the region (2). .

이와 같이 이 발명은 종래의 전기화학 셀보다 우수한 즉, 짧은 전자 이동 경로를 갖기 때문에 전기화학 셀의 전류밀도-전압특성이 우수해 전기분해시 에너지 소모량을 저감할 수 있다. 다시 말해, 종래에는 양극 촉매→양극실 확산층→양극실 전류공급판→외부회로→압력패드→음극실 전류공급판→음극실 확산층→음극 촉매 순으로 전자이동 경로가 형성되었으나, 이 발명은 양극 촉매→막 위의 전자 전도층→외부회로→막 위의 전자 전도층→음극 촉매 순으로 전자이동 경로가 형성된다. 따라서, 이 발명은 종래의 전기화학 셀보다 짧은 전자이동 경로를 갖게 되며, 이렇게 짧은 전자이동 경로로 인해 전기화학 셀의 전류밀도-전압특성이 우수해지므로 전기분해시 에너지 소모량을 저감할 수 있다.As described above, the present invention is superior to the conventional electrochemical cell, that is, because it has a short electron migration path, the current density-voltage characteristic of the electrochemical cell is excellent, thereby reducing energy consumption during electrolysis. In other words, in the prior art, an electron transfer path was formed in the order of anode catalyst → anode chamber diffusion layer → anode chamber current supply plate → external circuit → pressure pad → cathode chamber current supply plate → cathode chamber diffusion layer → cathode catalyst. → The electron transfer path is formed in this order: electron conducting layer on the membrane → external circuit → electron conducting layer on the membrane → cathode catalyst. Therefore, the present invention has a shorter electron movement path than a conventional electrochemical cell, and because of this short electron movement path, the current density-voltage characteristic of the electrochemical cell is excellent, so that energy consumption during electrolysis can be reduced.

또한, 이 발명은 전기화학 반응실에 MEA의 전기화학 반응층을 2개씩 각각 수용하기 때문에 장치가 매우 콤팩트(compact)해지고, 전기화학용 스택을 구성할 때 종래의 전기화학 셀보다 부품수를 대폭 저감할 수 있어 전기화학 셀의 제작비용을 대폭 저감할 수 있다. 다시 말해, n개의 전기화학 셀을 구성할 때 이 발명의 전기화학용 스택은 전기화학 반응실에 MEA의 전기화학 반응층을 2개씩 각각 수용하기 때문에 표 1과 같은 부품수를 갖는 데 반해, 종래의 전기화학용 스택은 이 발명의 전기화학용 스택보다 훨씬 많은 부품수를 갖도록 형성된다.In addition, since the present invention accommodates each of two electrochemical reaction layers of MEA in the electrochemical reaction chamber, the apparatus becomes very compact, and when constructing the electrochemical stack, the number of parts is significantly greater than that of a conventional electrochemical cell. Since it can be reduced, the manufacturing cost of the electrochemical cell can be significantly reduced. In other words, when constructing n electrochemical cells, the electrochemical stack of the present invention has the number of parts as shown in Table 1, since the electrochemical reaction layers each receive two electrochemical reaction layers of the MEA, whereas The electrochemical stack of is formed to have a much larger number of parts than the electrochemical stack of the present invention.


종래의 전기화학용 스택Conventional electrochemical stack 이 발명의 전기화학용 스택Stack for electrochemistry of the invention
N=1N = 1 N=2N = 2 N=3N = 3 N=4N = 4 N=nN = n N=1N = 1 N=2N = 2 N=3N = 3 N=4N = 4 N=nN = n 엔드플레이트End plate 22 22 22 22 22 22 22 22 22 확산층Diffusion layer 22 44 66 88 2n2n 압력패드Pressure pad 1One 22 33 44 nn 전기화학 반응실
프레임
Electrochemical reaction room
frame
22 44 66 88 2n2n 33 44 55 n+1n + 1
MEAMEA 1One 22 33 44 nn 22 33 44 nn 총계sum 88 1414 2020 2626 6n+26n + 2 77 99 1111 2n+32n + 3

그리고, 이 발명은 상술한 바와 같이 전기화학용 스택 구성시 종래의 전기화학 셀보다 구성 부품수가 대폭 저감되기 때문에, 표 2와 같이 전기저항의 상승 원인이 되는 접촉점도 종래의 전기화학 셀보다 대폭 줄일 수 있어 전기분해시 전기소모량을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 운전비용을 저감할 수 있다.In addition, since the number of component parts of the present invention is significantly reduced compared to that of a conventional electrochemical cell when constructing an electrochemical stack as described above, the contact point that causes an increase in electrical resistance is significantly reduced than that of a conventional electrochemical cell as shown in Table 2. This can greatly reduce the amount of electricity consumed during electrolysis, as well as reduce operating costs.


기존 전기화학용 스택Existing electrochemical stack 이 발명의 전기화학용 스택Stack for electrochemistry of the invention
N=1N = 1 N=2N = 2 N=3N = 3 N=4N = 4 N=nN = n N=1N = 1 N=2N = 2 N=3N = 3 N=4N = 4 N=nN = n 접촉저항수Contact resistance 66 1111 1616 2121 5n+55n + 5 44 88 1212 1616 4n4n

이상에서 설명한 바와 같이, 이 발명의 상세한 설명에서는 이 발명의 바람직한 실시예에 관해서 설명하였으나, 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 물론이다. 따라서, 이 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, in the detailed description of the present invention, preferred embodiments of the present invention have been described, but these are illustrative examples of the best embodiments of the present invention, but are not intended to limit the present invention. In addition, it is of course possible for anyone who has ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains to various modifications and imitation without departing from the scope of the technical idea of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the equivalents as well as the claims described below.

500 : 막전극접합체 504, 508 : 전기화학 반응층
502 : 막 510, 516 : 전기화학 촉매
512, 514 : 담체 600 : 전기화학 셀
602, 616 : 엔드플레이트 604, 614 : 절연판
606, 612 : 전기화학 반응실 프레임
608, 610 : 전기화학 반응실 700 : 전기화학용 스택
500: membrane electrode assembly 504, 508: electrochemical reaction layer
502: membrane 510, 516: electrochemical catalyst
512, 514: carrier 600: electrochemical cell
602, 616: end plate 604, 614: insulating plate
606, 612: electrochemical reaction chamber frame
608, 610: electrochemical reaction chamber 700: electrochemical stack

Claims (10)

고분자 전해질 막과,
상기 고분자 전해질 막의 일측에 형성되어 산화반응이 일어나는 제1 전기화학 반응층과,
상기 고분자 전해질 막과 제1 전기화학 반응층의 사이에 형성되는 제1 전자 전도층과,
상기 고분자 전해질 막의 타측에 형성되어 환원반응이 일어나는 제2 전기화학 반응층, 및
상기 고분자 전해질 막과 제2 전기화학 반응층의 사이에 형성되는 제2 전자 전도층을 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
A polymer electrolyte membrane,
A first electrochemical reaction layer formed on one side of the polymer electrolyte membrane and undergoing an oxidation reaction,
A first electron conducting layer formed between the polymer electrolyte membrane and the first electrochemical reaction layer,
A second electrochemical reaction layer formed on the other side of the polymer electrolyte membrane and undergoing a reduction reaction, and
And a second electron conductive layer formed between the polymer electrolyte membrane and the second electrochemical reaction layer.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 전자 전도층과 제2 전자 전도층은 각각 0.1 ~ 5㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
The method according to claim 1,
The first electron-conducting layer and the second electron-conducting layer, each having a thickness of 0.1 ~ 5㎛ membrane electrode assembly.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 전자 전도층과 제2 전자 전도층은 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 탄소, 금, 탄탈륨, 주석, 인듐, 니켈, 텅스텐, 망간 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
The method according to claim 1,
The first electron-conducting layer and the second electron-conducting layer are made of any one of platinum, palladium, rhodium, iridium, ruthenium, osmium, carbon, gold, tantalum, tin, indium, nickel, tungsten, and manganese. Electrode assembly.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 전기화학 반응층 및 제2 전기화학 반응층은 각각 촉매 잉크로 이루어지고, 상기 촉매 잉크는 전기화학 촉매, 담체, 고분자 전해질 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
The method according to claim 1,
Each of the first electrochemical reaction layer and the second electrochemical reaction layer is made of a catalyst ink, and the catalyst ink comprises an electrochemical catalyst, a carrier, a polymer electrolyte, and a solvent.
청구항 4에 있어서,
상기 전기화학 촉매는 백금, 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소, 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨 및 알루미늄 중 어느 하나의 금속, 이들의 합금, 산화물 및 복산화물 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
The method according to claim 4,
The electrochemical catalyst is a platinum group element of platinum, palladium, ruthenium, iridium, rhodium, osmium, metal of any one of iron, lead, copper, chromium, cobalt, nickel, manganese, vanadium, molybdenum, gallium and aluminum, and alloys thereof , Membrane electrode assembly, characterized in that it is composed of any one of oxide and double oxide.
청구항 4에 있어서,
상기 전기화학 촉매는 0.5 ~ 20㎚의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
The method according to claim 4,
The electrochemical catalyst is a membrane electrode assembly characterized in that it has a particle diameter of 0.5 ~ 20㎚.
청구항 4에 있어서,
상기 담체는 티타늄 산화물, 카본블랙, 그래파이트, 흑연, 활성탄, 카본 파이버, 카본 나노튜브 및 풀러린 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
The method according to claim 4,
The carrier is a titanium electrode, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotubes and full-length membrane electrode assembly, characterized in that made of any one of fullerene.
청구항 4에 있어서,
상기 담체는 10 ~ 1,000㎚의 입경을 갖는 것을 특징으로 하는 막전극접합체.
The method according to claim 4,
The carrier is a membrane electrode assembly, characterized in that having a particle diameter of 10 ~ 1,000㎚.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)와,
산화반응 또는 환원반응이 발생하고 그에 따른 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 상기 막전극접합체를 기준으로 양측에 순차적으로 배열되는 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임, 제1, 제2 절연판 및 제1, 제2 엔드플레이트와,
상기 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임에 각각 접속되어 전류를 공급하는 전력변환장치를 포함하며,
상기 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임은 상기 막전극접합체의 제1, 제2 전기화학 반응층을 각각 수용하는 전기화학 반응실을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.
The membrane electrode assembly according to any one of claims 1 to 8 (Membrane Electrode Assembly),
First and second electrochemical reaction chamber frames, first and second, which are sequentially arranged on both sides based on the membrane electrode assembly in a form in which an oxidation reaction or a reduction reaction occurs and supply and discharge of reactants and products accordingly Insulation plate and first and second end plates,
And a power conversion device connected to the first and second electrochemical reaction chamber frames to supply current.
The first and second electrochemical reaction chamber frames are electrochemical cells, each having an electrochemical reaction chamber that receives the first and second electrochemical reaction layers of the membrane electrode assembly, respectively.
청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 기재된 다수개의 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)와,
산화반응 또는 환원반응이 발생하고 그에 따른 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 내측에서 외측 방향으로 양측에 순차적으로 배열되는 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임, 제1, 제2 절연판 및 제1, 제2 엔드플레이트와,
상기 다수개의 막전극접합체의 사이에 배치되어 동일 산화반응 또는 환원반응 성질을 가지는 상기 막전극접합체의 제1 전기화학 반응층 또는 제2 전기화학 반응층을 2개씩 수용하는 전기화학 반응실을 각각 갖는 다수개의 제3 전기화학 반응실 프레임, 및
상기 제1, 제2, 제3 전기화학 반응실 프레임에 각각 접속되어 전류를 공급하는 전력변환장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학용 스택.
A plurality of membrane electrode assembly (Membrane Electrode Assembly) according to any one of claims 1 to 8,
First and second electrochemical reaction chamber frames, first and second insulating plates, which are sequentially arranged on both sides from the inside to the outside in a form in which an oxidation reaction or a reduction reaction occurs and supply and discharge of reactants and products accordingly, and The first and second end plates,
Electrochemical reaction chambers disposed between the plurality of membrane electrode assemblies to receive two of the first electrochemical reaction layer or the second electrochemical reaction layer of the membrane electrode assembly having the same oxidation reaction or reduction reaction properties, respectively A plurality of third electrochemical reaction chamber frames, and
And a power conversion device connected to the first, second, and third electrochemical reaction chamber frames to supply current.
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