KR20200052757A - Electrochemical Stack - Google Patents
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Abstract
Description
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
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
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
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
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
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
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
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
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
[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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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-
상기와 같은 종래의 MEA(100), 전기화학 셀(200), 전기화학용 스택(300) 및 수소 발생기 시스템(400)은 다음과 같은 특성을 갖는다.The
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
제2 공정 : 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 형성 공정Second process: Formation process of first and second electron
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(2) 제2 공정 : 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 형성 공정(2) Second process: Formation process of first and second electron
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
(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
(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
(3-1-1) 제1 전기화학 촉매(510)의 합성(3-1-1) Synthesis of the first
질산나트륨 용액에서의 염화 이리듐(IrCl3·xH2O)과 염화 루테늄(RuCl3·xH2O)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
제2 전기화학 촉매(516)로는 상용화된 Pt/C(Premetek사, 백금담질량 30%)를 사용하였다. As the second
(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
(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
(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
(3-3-1) 제1 전기화학 반응층(504) 전사(3-3-1) First
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
(3-3-1) 제2 전기화학 반응층(518) 전사(3-3-1) Second
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
(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
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
(3-4-2) 제2 전기화학 반응층(508) 형성(3-4-2) Formation of second
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
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
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.
프레임Electrochemical reaction room
frame
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.
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 스택500:
502:
512, 514: carrier 600: electrochemical cell
602, 616:
606, 612: electrochemical reaction chamber frame
608, 610: electrochemical reaction chamber 700: electrochemical stack
Claims (10)
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.
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.
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.
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.
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.
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㎚.
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.
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㎚.
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.
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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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020180136142A KR20200052757A (en) | 2018-11-07 | 2018-11-07 | Electrochemical Stack |
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Citations (2)
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---|---|---|---|---|
KR20080032962A (en) | 2006-10-12 | 2008-04-16 | 삼성에스디아이 주식회사 | Cathod for fuel cell, membrane-electrode assembly for fuel cell comprising same, and fuel cell system comprising same |
KR101357146B1 (en) | 2006-11-15 | 2014-02-05 | 주식회사 동진쎄미켐 | Electrode for fuel cell, membrane electrode assembly with the electrode, fuel cell with the electrode and method for manufacturing the same |
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2018
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