KR20210100529A - 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체 - Google Patents

양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체 Download PDF

Info

Publication number
KR20210100529A
KR20210100529A KR1020210001994A KR20210001994A KR20210100529A KR 20210100529 A KR20210100529 A KR 20210100529A KR 1020210001994 A KR1020210001994 A KR 1020210001994A KR 20210001994 A KR20210001994 A KR 20210001994A KR 20210100529 A KR20210100529 A KR 20210100529A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
water electrolysis
anode
exchange membrane
membrane
cation exchange
Prior art date
Application number
KR1020210001994A
Other languages
English (en)
Inventor
한상범
모용환
이용수
Original Assignee
주식회사 보야스에너지
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 보야스에너지 filed Critical 주식회사 보야스에너지
Publication of KR20210100529A publication Critical patent/KR20210100529A/ko
Priority to KR1020230050257A priority Critical patent/KR20230065200A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
    • C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
    • C25B13/08—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on organic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/02—Process control or regulation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C25B9/23—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms comprising ion-exchange membranes in or on which electrode material is embedded
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

본 발명은 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체에 관한 것으로, 물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드(cathode); 상기 캐소드와 대면하여 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드(anode); 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 양이온 교환막을 포함하고, 상기 애노드에 산(acid) 수용액을 공급하는 것을 특징으로 하여, 고전압에서 애노드 촉매층으로부터 멤브레인으로의 수소이온 전달능력을 증가시킴으로써 물질전달 감소를 해결하여 전류밀도를 유지시키고, 안정성을 증가시킬 수 있다.

Description

양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체{Membrane electrode assembly for proton exchange membrane water electrolysis}
본 발명은 양이온 교환막(PEM, Proton Exchange Membane) 수전해용 막 전극 접합체에 관한 것이다.
석유에너지를 활용한 산업에서의 활용은 석유자원의 고갈문제와 일산화탄소, 이산화탄소 등 지구 온난화 문제, 미세먼지 문제 등 환경파괴로 인해 점차 사용제약이 많아지고 있다. 이에 대체 가능한 에너지로써 태양에너지, 수력, 풍력에너지 등의 지속가능한 에너지 활용에 연구가 집중되고 있으나, 효율이 낮고, 특수한 경우에만 적용되는 한계점을 가지고 있다.
최근, 수소에너지에 대한 높은 관심도는 질량당 보유하는 높은 에너지 함량으로 연료전지를 이용한 실용화 추세에 발맞추어, 수소를 생산하는 분야에도 주목을 받고 있다. 특히, 수전해 장치에 의한 물(H2O)로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하는 과정은 수소, 산소, 물 이외에 환경오염을 일으킬 만한 원인물질을 생성하지 않음으로써 친환경적 대체에너지의 가치를 가지고 있다.
수전해의 대표적 기술에는 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 1) 양이온 교환막을 사용하는 PEM (Proton Exchange Membrane) 수전해, 2) 알칼리전해질을 이용한 알칼리 수전해 방법 (Alkaline electrolysis, AE), 3) 고온의 수증기 조건하에서 세라믹 전해질을 활용한 HTE 방법 (High Temperature Electrolysis)이 있다.
양이온 교환막 수전해(PEM)는 주로 Ir, Ru을 사용하는 Anode(양극) 과 주로 Pt를 사용하는 Cathode (음극), 그리고 양이온 교환막으로 구성되어 있다. Anode (양극) 촉매에서는 H2O를 분해하여, H+ 와 O2를 생산하게 된다(Oxygen Evolution Reaction; OER). 생성된 H+ 양이온은 양이온 교환막을 통과하여 Cathode (음극)으로 이동하며, 촉매표면에서 H2를 생성하게 된다(hydrogen evolution reaction, HER). 이는, 다른 수전해에 비해 높은 수소이온 전도도로 1 A/cm2 이상의 높은 전류밀도를 가지는 것이 특징이다.
알칼리 수전해(AEM)는 Ni 등의 저가 촉매를 이용하여 OH- 이온이 멤브레인으로 넘어가 수소를 생산하는 기술이다. PEM 수전해에서의 H+가 이동하는 것보다 이온 전달 속도가 현저히 느린 AEM 수전해에서의 전류밀도는 0.4 A/cm2 이하로 낮다. 거기에 더해, 멤브레인으로 주로 쓰이는 격막(diaphragm)에서의 높은 수소 투과도로 인해 수소의 순도가 낮고, 저 전류밀도에서는 전류효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다.
HTE 수전해는 세라믹 이온을 활용한 전해질로 PEM 수전해에서와 같이 1 A/cm2 이상의 성능을 보여주나, 동작온도가 700℃ 이상으로 작은 시스템에서 활용이 어렵고, 고온에서 동작에 따른 재료의 내구성 확보가 쉽지 않아 상용화가 매우 더디게 진행되고 있다.
그러나, 상기와 같이 수전해 기술 중 수전해 효율 및 성능 특성이 뛰어난 PEM 수전해에서 고전압(1.7V 이상) 구동시, H2O의 공급이 원활하지 않아서 생기는 물질전달 손실(Mass transfer loss)이 발생하는 문제점이 있어왔으며, 이에 따라 H2O의 공급속도를 늘리면 H2O이 촉매에 닿는 시간이 감소되어 효율이 떨어지고, 전류밀도가 감소하는 경향이 있다.
따라서, PEM 수전해에서 고전압에서의 가동 효율을 높이기 위한 기술이 필요한 실정이다.
1. 대한민국 공개특허 제10-2012-0092055호 (2012.08.20. 공개)
본 발명의 목적은 종래 PEM 수전해에서 고전압의 물질전달 손실(Mass transfer Loss) 발생으로 인한 효율 감소와 안정성 감소를 해결하기 위한 것으로, 낮은 전압부터 높은 전압까지의 넓은 전압 범위를 활용하기 위한 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체를 제시함으로써, 향상된 수전해 시스템을 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드(cathode); 상기 캐소드와 대면하여 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드(anode); 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 양이온 교환막을 포함하고, 상기 애노드에 산(acid) 수용액을 공급하는 것을 특징으로 하는 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체를 제공한다.
본 발명에 따르면 PEM 수전해 장치의 애노드에 인산 수용액을 공급하면, 고전압에서 캐소드로 이동하는 수소이온 농도의 전달속도에 영향을 주어, 수전해 시스템의 안정도를 향상시킬 수 있으며, 이로 인해 낮은 전압부터 높은 전압까지 넓은 전압 범위를 활용할 수 있다.
특히, PEM 수전해 장치의 고전압 구동에서 발생하는 물질전달 속도의 감소를 해소시켜 줌으로써 고전압에서의 전류밀도 강하를 막아주고, 이로 인해 멤브레인을 보호하여 안정도를 향상시킬 수 있으며, 이는, 종래 PEM 수전해 장치의 고전류밀도에서의 멤브레인 손상과 같은 문제점을 해결할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인산 수용액을 이용한 PEM 수전해용 막 전극 접합체의 개념도이다.
도 2는 H2O 또는 인산 수용액에서의 접압-전류 상관관계도를 나타낸 도면이다.
도 3은 H2O 또는 인산 수용액에서의 가속 스트레스 시험(Accelerated Stress Test) 결과를 나타낸 그래프이다. (3A/cm2, 15min <=> 0.3A/cm2, 15min)
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 양이온 교환막 수전해 시스템에서 애노드(anode)에 인산 수용액을 공급하여 고전압 구동에서 발생하는 물질전달 속도의 감소를 해소시켜 줌으로써 고전압에서의 전류밀도 강하를 막아주고, 이로 인해 멤브레인을 보호하여 안정도를 향상시킬 수 있으며, 이는, 종래 PEM 수전해 장치의 고전류밀도에서의 멤브레인 손상과 같은 문제점을 해결하여 고전압에서의 가동 효율을 높일 수 있음을 밝혀내어 본 발명을 완성하였다.
일반적인 PEM 수전해는 하기 반응식 1 및 2와 같이 전기에너지를 이용한 산화·환원으로 수소와 산소를 발생시킨다.
반응식 1) Cathode : 4H+ + 4e- → 2H2
반응식 2) Anode : 2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
반응식 1에서는 Anode 에서 생성된 H+ 이온이 양이온교환막(PEM)을 통해 Cathode로 이동하게 된다. 저전류밀도에서는 수소이온이 멤브레인을 통해 Cathode로 공급되는 양이 산소를 발생하여 생성되는 전자의 양을 충족하여 전압이 상승하면서 전류도 같이 상승하게 된다. 하지만, 고전류밀도로 갈수록 생성되는 전자의 양보다 수소이온이 전달되는 양이 못 미치게 되어 물질전달 감소가 나타나게 되고, 이로 인해 전류밀도가 감소하게 되고 성능 또한 감소하게 된다.
따라서 종래 PEM 수전해에서 고전압(1.7V 이상) 구동시, H2O의 공급이 원활하지 않아서 생기는 물질전달 손실(Mass transfer loss)이 발생하는 문제점이 있어왔으나, H2O의 공급속도를 늘리는 것만으로는 물질전달손실을 줄이고, 성능까지 유지시키기에는 어려우며, H2O의 공급속도를 늘리면 H2O이 촉매에 닿는 시간이 감소되어 효율이 떨어지고, 전류밀도가 감소하는 경향이 있어왔다.
본 발명은 이온교환막을 통해 애노드에서 캐소드로 수소이온(H+)을 통과시키는 PEM 수전해 시스템에서 고전류밀도에서의 물질전달 감소로 인한 문제를 해결하기 위해 인산 수용액을 애노드에 공급함으로써, 고전류밀도에서의 물질전달과 안정성을 증가시킬 수 있는 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체를 제공한다.
본 발명의 수전해용 막 전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)는 촉매 물질을 포함하여 형성된 한 쌍의 촉매 전극 및 상기 한 쌍의 촉매 전극 사이에 개재된 전해질막을 포함하는 수전해용 막 전극 접합체로서, 더욱 구체적으로 제 1 촉매 물질로 형성된 애노드(100)와 제 2 촉매 물질로 형성된 캐소드(120) 및 상기 애노드 촉매 및 캐소드 촉매 사이에 개재된 전해질막(110)을 포함한다.
상기 제 1 촉매 물질 및 제 2 촉매 물질은 본 기술 분야에서 일반적으로 사용할 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 제 1촉매는 이리듐(Ir), 이리듐 산화물, 루테늄(Ru), 루테늄 산화물 등이 이용될 수 있으며, 제 2촉매는 백금(Pt), Pt/C, 백금 산화물 등이 이용될 수 있다.
본 발명의 수전해용 막 전극 접합체는 도 1과 같이 물의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 수소, 산소를 생산하는 것으로, 물과 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극과 수소이온의 전달이 일어나는 전해질막의 접합체를 의미하는 것으로서, 촉매 전극과 전해질막이 접착된 단일의 일체형 유니트(unit)이다.
본 발명은 물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드(cathode); 상기 캐소드와 대면하여 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드(anode); 및 상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 양이온 교환막을 포함하고, 상기 애노드에 산(acid) 수용액을 공급하는 것을 특징으로 하는 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체를 제공한다.
이때, 상기 산(acid) 수용액은 인산(H3PO4) 수용액이며, 인산은 0.1 내지 1 N의 농도로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 0.25 N의 농도로 포함될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명에 사용된 H3PO4은 OER쪽 촉매에 흡착됨으로써, 멤브레인으로부터 떨어져 있는 애노드 촉매층에서 H+ 이온전달 속도가 감소된 것을 H3PO4를 통해 멤브레인까지 이동할 수 있게 만든다. 이로 인해, 유효한 촉매층 두께를 높일 수 있고 결과적으로 PEM 수전해 시스템의 효율을 높일 수 있다.
또한, 인산은 완전산화가 이루어져 있는 물질이기에 애노드의 OER 반응에서 더 이상 산화반응이 일어날 수 없으며, 환원되기에도 어렵기 때문에 PEM 수전해 시스템에 수소이온 전달속도를 유지시키는 역할로 사용될 수 있다.
게다가, 인산은 알칼리금속을 포함한 모든 금속 양이온을 제거할 수 있으며, 인산 수용액 외 황산, 초산과 같은 산 수용액 등은 수전해 반응에서 반응성이 있기 때문에 사용될 수 없다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 인산 수용액은 1.7 V 이상의 고전압에서, 애노드에서 캐소드로 쪽으로 수소이온 전달을 증가시켜, 고전압에서 전류밀도를 증가시킬 수 있으며, 고전류밀도에서 과전압 개선 효과가 우수함을 확인하였다. 따라서, 인산으로 인해 수전해 시스템의 안정도 및 전류밀도를 향상시킬 수 있으며, 종래 양이온 교환막 수전해 보다 경제성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, PEM 수전해용 막 전극 접합체(MEA)를 제조하기 위하여 데칼(Decal) 방법으로 Anode 촉매와 Cathode 촉매를 양이온 교환막에 각각 한면에 맞닿도록 하여 제조하였다. 이후, 유로가 있는 단위셀에 MEA를 넣고 체결하여 PEM 수전해 단위셀을 제조하였다. PEM 수전해 단위셀의 활성면적은 5 cm2 이다.
본 발명에 따른 수전해용 막 전극 접합체에는 물에 인산을 용해시켜 물과 인산을 함께 공급하거나 물을 공급하면서 펌프 등을 통하여 인산을 주입하는 등 다양한 방법으로 인산 수용액을 애노드에 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체를 포함하는 양이온 교환막 수전해 셀을 제공할 수 있으며, 이는 단위셀의 스택(stack) 형태일 수 있다. 예를 들어 애노드(100), 캐소드(120) 및 양이온 교환막(110)으로 구성되는 막 전극 접합체 단위셀이 직렬로 적층되고, 상기 단위 셀들 사이에 이들을 전기적으로 연결하는 분리막(seperator)이 개재되어 단위셀의 스택(stack)이 얻어질 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 다만 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<제조예> PEM 수전해 단위셀의 제작
Anode 촉매물질인 IrO2(보야스에너지) 와 EtOH, H2O 및 프로톤 전도성 바인더(D5021)의 비율을 1:80:2:1 의 비율로 혼합하여 촉매 잉크를 만들었다. 제조된 잉크를 초음파 스프레이 열분해(pyrolysis) 장치(보야스에너지)에 의해 폴리이미드 팔름상에 도포하여, 5 cm2 크기의 애노드(anode) 촉매층을 제조하였다.
Cathode는 SGL39BC에 40wt.%의 Pt/C가 도포되어 있는 상용 가스확산전극(Gas Diffusion Electrode; GDE)을 사용하여 5cm2 크기의 촉매층을 준비하였다.
상기 상용 캐소드 촉매층(Gas Diffusion Electrode; GDE) 위에 양이온 교환막 (BPSH50, 한국화학연구원)을 적층하고, 양이온 교환막 위에 상기 제조방법에 의해 준비된 애노드 촉매층면이 오도록 적층한 후, 110℃, 20bar 조건에서 20분동안 열융착하여 막 전극 접합체 (MEA, Membrane Electrode Assembly)를 제조하였다. 유로가 있는 단위셀에 MEA를 넣고 체결하여 PEM 수전해 단위셀을 제조하였다.
제조된 막 전극 접합체는 도 1과 같이, 애노드(Anode)(100), 양이온 교환막(110), 캐소드(Cathode)(120)로 이루어졌다.
<실시예> PEM 수전해 단위셀의 수전해 성능 평가
상기 제조예에서 제조된 PEM 수전해 단위셀은 산화가 이루어지는 Anode 촉매층(100)이 수소이온을 통과시키는 멤브레인(110) 과 맞닿아 있으며, 멤브레인 반대편에는 같은 면적으로 Cathode 촉매층(120)이 맞닿아 있는 구조로 구성되어 있다.
상기와 같이 구성된 PEM 수전해 단위셀의 온도를 온도제어기를 이용하여 80℃의 온도로 맞추어준 후, 산화가 이루어지는 Anode 촉매층(100)에 H2O 또는 0.25 N H3PO4 수용액을 15 ml/min의 속도로 공급하였다. 이때, 라인히터를 80℃로 맞추어 주어, 반응물의 온도를 미리 상승시켰다.
상기의 일정 온도에서 PEM 수전해 단위셀에 직류전원장치를 이용하여 1.4 ~ 1.9V 까지 전압을 0.025V/50s 의 계단식 승압으로 전압을 올려주며, 각각의 전압에서 인가되는 전류를 측정하였다. 측정된 전압(V)과 전류(A)를 도시한 그래프를 도 2에 나타내었다.
그 결과, Anode 촉매층(100)에 H2O을 공급하였을 때와 0.25 N H3PO4 수용액을 공급하였을 때를 각각 비교하면, 저전압에서는 유사한 I-V 거동을 나타냈으나, 1.7 V 이상의 고전압에서는 H3PO4 수용액을 공급한 PEM 수전해 단위셀에서 더 높은 전류밀도를 나타냈다.
이는, 인산이 Anode 촉매층(100)에 흡착됨으로써, 멤브레인으로부터 떨어져 있는 Anode 촉매층에서의 H+ 이온전달 속도가 감소된 것을 H3PO4를 통해 멤브레인까지 이동할 수 있게 만들어, 고전압에서의 물질전달 감소를 해결함으로써 고전압에서의 전류밀도 강하를 막을 수 있는 것이다.
이는, 고전류밀도에서 종래 H2O만을 공급하는 것은 수 μm 애노드 촉매층을 사용하는 것과 다르게, H3PO4 수용액을 Anode 촉매층(100)에 공급하였을 때 더 두꺼운 범위의 애노드 촉매층을 사용함으로써 물 분해에 의한 수소 가스가 더 많이 형성될 수 있으며, 이로써 PEM 수전해에서 고전압에서의 가동 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 PEM 수전해 단위셀과 동일한 조건하에서 가속 스트레스 시험(Accelerated Stress Test; AST)으로 안정성을 확인한 결과를 도 3에 나타냈다. AST 의 조건은 상기 조건에 추가로 PEM 수전해 단위셀에 직류전원장치를 이용하여, 3 A/cm2 고전류밀도를 15분간 유지하며 인가되는 전압을 측정하고, 그 직후에, 0.3 A/cm2의 저전류밀도를 15분간 유지하며 인가되는 전압을 측정하였다. 고전류밀도와 저전류밀도를 반복적으로 각각 15분간 유지하며 인가되는 전압의 상승 정도를 분석했다.
그 결과, Anode 촉매층(100)에 0.25 N H3PO4 수용액을 공급한 경우, H2O를 이용한 경우와 비교하여 낮은 과전압을 나타내어, 전극의 과전압 개선 효과가 우수함을 확인하였으며, 특히, 저전류밀도에서 보다 고전류밀도에서의 과전압 개선 효과가 더 우수함을 확인하였다. 이에 따라 인산 수용액을 PEM 수전해의 애노드에 공급함으로써, 고전류밀도에서의 물질전달 감소를 해결할 수 있을 것이다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 물이 분해되어 형성된 수소 가스를 배출하는 캐소드(cathode);
    상기 캐소드와 대면하여 배치되고 상기 물이 분해되어 형성된 산소 가스를 배출하는 애노드(anode); 및
    상기 애노드와 상기 캐소드 사이에 양이온 교환막을 포함하고,
    상기 애노드에 산(acid) 수용액을 공급하는 것을 특징으로 하는 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산(acid) 수용액은 인산(H3PO4) 수용액인 것을 특징으로 하는 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 인산은 0.1 내지 1 N의 농도로 포함되는 것을 특징으로 하는 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 산(acid) 수용액은 고전압에서 상기 애노드로부터 상기 캐소드로 수소이온 전달을 증가시키는 것을 특징으로 하는 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 양이온 교환막 수전해는 고전압에서 전류밀도가 증가하는 것을 특징으로 하는 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 고전압은 1.7 V 이상인 것을 특징으로 하는 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체.
KR1020210001994A 2020-02-05 2021-01-07 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체 KR20210100529A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230050257A KR20230065200A (ko) 2020-02-05 2023-04-17 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체를 포함하는 pem 수전해 장치

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200013430 2020-02-05
KR20200013430 2020-02-05

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020230050257A Division KR20230065200A (ko) 2020-02-05 2023-04-17 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체를 포함하는 pem 수전해 장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210100529A true KR20210100529A (ko) 2021-08-17

Family

ID=77466348

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210001994A KR20210100529A (ko) 2020-02-05 2021-01-07 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체
KR1020230050257A KR20230065200A (ko) 2020-02-05 2023-04-17 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체를 포함하는 pem 수전해 장치

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020230050257A KR20230065200A (ko) 2020-02-05 2023-04-17 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체를 포함하는 pem 수전해 장치

Country Status (1)

Country Link
KR (2) KR20210100529A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120092055A (ko) 2011-02-09 2012-08-20 (주)엘켐텍 고분자 전해질 막, 수전해 장치, 연료 전지 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120092055A (ko) 2011-02-09 2012-08-20 (주)엘켐텍 고분자 전해질 막, 수전해 장치, 연료 전지 및 이를 포함하는 연료 전지 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230065200A (ko) 2023-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10815577B2 (en) Method and apparatus for preparing reduction product of carbon dioxide by electrochemically reducing carbon dioxide
Singh et al. An electrochemical engineering assessment of the operational conditions and constraints for solar-driven water-splitting systems at near-neutral pH
An et al. An alkaline direct ethanol fuel cell with a cation exchange membrane
JP5151061B2 (ja) 燃料電池
EP1305836B1 (en) Stainless steel substrate treatment
IL288368A (en) A modular electrolyzer stack and process for converting carbon dioxide into gaseous products at increased pressure and at a high conversion rate
CA2381547A1 (en) Fuel cell anode structures for voltage reversal tolerance
CN107075700A (zh) 有机氢化物制造装置及使用其的有机氢化物的制造方法
KR20110073382A (ko) 선택투과성 막이 없는 직접 연료 전지 및 이의 구성요소
EP1523780A2 (en) Improved anode catalyst compositions for a voltage reversal tolerant fuel cell
JP2012041578A (ja) 水電解セル
JP2004349050A (ja) 固体高分子型燃料電池の賦活方法
JP4977911B2 (ja) 水素−空気／固体高分子電解質型可逆セルの空気極用の電極触媒粉末、それを用いた空気極を有する電極−電解質膜接合体（ｍｅａ）および可逆セル
US20140287347A1 (en) Method for fabricating a membrane-electrode assembly
WO2010121442A1 (zh) 电场-膜电极组合结构的燃料电池装置及其可逆式再生氢氧电解装置
KR20190083546A (ko) 전기화학적 수소화 반응기 및 이것을 이용한 수소화물의 제조방법
US7691770B2 (en) Electrode structure and methods of making same
KR101327432B1 (ko) 분리판, 이를 포함하는 연료전지 스택 및 수전해 스택
JP5618485B2 (ja) 電気化学セルの運転方法
KR20210100529A (ko) 양이온 교환막 수전해용 막 전극 접합체
US8455151B2 (en) Fuel cell with electrolyte strengthening substrate having a penetration portion
Cheng et al. High-voltage dual electrolyte electrochemical power sources
KR20240051841A (ko) 수전해 장치용 확산 전극의 제조방법 및 이에 의해 제조된 확산 전극을 구비하는 양이온 교환막 수전해 장치
KR20140133301A (ko) 전기화학셀용 막전극 접합체
KR100736163B1 (ko) 고온 수전해 수소 생성 장치 및 수소 제조 방법

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application