KR20220052720A - Electrolysis cell frame for reducing shunt currents - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an electrolytic cell frame, and more specifically, to an electrolytic cell frame capable of reducing a shunt current. The present invention reduces a shunt current through an increase in shunt resistance through an increase in a manifold and a flow path length, at the same time, induces an even distribution of an electrolyte through optimization of a two-phase flow, improves catalyst utilization thereby, and can maximize power efficiency in a stack thereby.

Description

선트전류 해소를 위한 전해 셀프레임{ELECTROLYSIS CELL FRAME FOR REDUCING SHUNT CURRENTS} Electrolytic cell frame for relieving shunt current {ELECTROLYSIS CELL FRAME FOR REDUCING SHUNT CURRENTS}

본 발명은 전해 셀 프레임에 관한 것으로, 보다 상세하게는 션트전류를 해소가 가능한 전해 셀 프레임에 관한 것이다. The present invention relates to an electrolytic cell frame, and more particularly, to an electrolytic cell frame capable of eliminating a shunt current.

수전해는 전기에너지를 이용하여 물을 분해하고, 이를 통하여 수소(H2)를 생산하는 기술이다. Water electrolysis is a technology that uses electric energy to decompose water and produces hydrogen (H2) through this.

수전해 장치는 단위 셀이 여러 장 적층되는 형태로 스택을 구성하며, 단위 셀은 분리판(bipolar plate), 확산층(porous transport layer), 양극 촉매(anode catalyst), 이온 교환막(ion exchange membrane) 또는 다공성 분리막(porous separator), 음극 촉매(cathode catalyst), 확산층 및 분리판으로 구성되며, 셀 프레임은 단위 셀 적층체들 외부에 위치하여, 스택 내 전해액을 공급하는 매니폴드 및 균등한 전해액 분배를 위한 유로가 형성되어 있다.A water electrolyzer consists of a stack in which several unit cells are stacked, and the unit cells are formed using a bipolar plate, a porous transport layer, an anode catalyst, an ion exchange membrane, or It is composed of a porous separator, a cathode catalyst, a diffusion layer and a separator, and the cell frame is located outside the unit cell stacks, and the manifold supplies the electrolyte in the stack and for even distribution of the electrolyte. A flow path is formed.

종래 수전해 셀 프레임은 매우 단순한 유로 및 매니폴드 구조를 가지며, 원형 내지 사각형 구조의 셀 프레임 내 한 개 또는 두 개의 전해액 공급 매니폴드 부분이 나란히 하부 쪽에 배치되며, 상부 쪽에는 나란히 두 개의 배출 매니폴드가 위치하게 되며, 실링(sealing)을 위한 립(rib)을 구성하고 양극(anode)과 음극(cathode)를 하나의 프레임으로 90도 회전하여 범용적으로 사용할 수 있도록 하였다.The conventional water electrolysis cell frame has a very simple flow path and manifold structure, and one or two electrolyte supply manifold parts in a cell frame having a circular or rectangular structure are arranged on the lower side side by side, and two discharge manifolds side by side on the upper side is positioned, and a rib for sealing was formed, and the anode and cathode were rotated 90 degrees in one frame for universal use.

기존의 전도성을 갖는 전해질을 사용하는 전해 셀 프레임에서는 매니폴드(manifold)를 통한 전해질 흐름에서 발생되는 션트 전류(shunt current)가 발생되었으며, 이에 따른 전류 효율의 감소를 고려하지 않았다. 이와 더불어 전해 반응 시 생성되는 가스 버블 및 전해액의 이중상 유동(two phase flow)에 대한 최적화가 이뤄지지 않아 전해 셀 효율 및 전극 이용률 향상에 어려움이 존재하였다.In an electrolytic cell frame using an electrolyte having an existing conductivity, a shunt current generated in an electrolyte flow through a manifold was generated, and a reduction in current efficiency was not considered. In addition, there was a difficulty in improving the electrolysis cell efficiency and electrode utilization rate because the gas bubbles generated during the electrolytic reaction and the two-phase flow of the electrolyte were not optimized.

대한민국 등록특허 공보 제10-1474868호Republic of Korea Patent Publication No. 10-1474868

본 발명의 목적은, 셀 프레임 상의 매니폴드, 유로 및 분기 유로의 형상 및 구조를 통하여, 션트전류가 저감되면서도 전해질 공급 및 생성가스 버블 배출이 향상된 전해용 셀 프레임을 제공하고자 함이다. It is an object of the present invention to provide a cell frame for electrolysis in which electrolyte supply and generated gas bubble discharge are improved while reducing shunt current through the shape and structure of the manifold, flow path and branch flow path on the cell frame.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따른 수전해 셀 프레임은 전해액 공급 매니폴드; 전해액 배출 매니폴드; 상기 전해액 공급 매니폴드와 상기 전해액 배출 매니폴드 사이에 위치하는 전해액 반응부; 상기 전해액 공급 매니폴드와 상기 전해액 반응부를 연통하는 전해액 공급 유로; 및 상기 전해액 반응부와 상기 전해액 배출 매니폴드를 연통하는 전해액 배출 유로를 포함하며, 상기 전해액 공급 유로의 폭은 상기 전해액 공급 매니폴드와 연통되는 일측으로부터 상기 전해액 반응부와 연통되는 타측으로 점진적으로 감소하는 것이다.In order to achieve the above object, an electrolytic cell frame according to an aspect of the present invention includes an electrolyte supply manifold; electrolyte drain manifold; an electrolyte reaction unit positioned between the electrolyte supply manifold and the electrolyte discharge manifold; an electrolyte supply passage communicating the electrolyte supply manifold and the electrolyte reaction unit; and an electrolyte discharge passage communicating the electrolyte reaction unit and the electrolyte discharge manifold, the width of the electrolyte supply passage gradually decreasing from one side communicating with the electrolyte supply manifold to the other side communicating with the electrolyte reaction unit will do

상기 전해액 공급 매니폴드의 면적(Ain)은 상기 전해액 배출 매니폴드의 면적(Aout) 대비 2.0의 비(Ain/Aout)일 수 있다.The area (A in ) of the electrolyte supply manifold may be a ratio (A in /A out ) of 2.0 to the area (A out ) of the electrolyte discharge manifold.

상기 전해액 공급 유로는 상기 일측의 폭(W1a) 대비 상기 타측의 폭(W1b)의 비(W1b/W1a)가 0.3 내지 0.7일 수 있으며, 바람직하게, 상기 전해액 공급 유로는 상기 일측의 폭(W1a) 대비 상기 타측의 폭(W1b)의 비(W1b/W1a)가 0.5일 수 있다.In the electrolyte supply passage, a ratio (W1b/W1a) of the width W1b of the other side to the width W1a of the one side may be 0.3 to 0.7, and preferably, the electrolyte supply passage has a width W1a of the one side. A ratio (W1b/W1a) of the width W1b of the other side may be 0.5.

상기 전해액 공급 유로로부터 복수 개로 분기되어 상기 전해액 반응부와 연통되는 공급 분배 유로를 더 포함할 수 있다.A plurality of supply distribution passages branched from the electrolyte supply passage and communicated with the electrolyte reaction unit may be further included.

상기 공급 분배 유로는 상기 공급 유로보다 폭이 작은 것일 수 있으며, 상기 공급 분배 유로는 상기 전해액 반응부에 대하여 폭이 점차적으로 증가하는 유로 확장부를 포함하는 것일 수 있다.The supply distribution passage may have a width smaller than that of the supply passage, and the supply distribution passage may include a passage extension part whose width is gradually increased with respect to the electrolyte reaction unit.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명은 매니폴드 및 유로 길이의 증가를 통한 션트저항 증가를 통한 션트전류의 해소를 하면서도 동시에 이중상 (Two phase) 유동의 최적화를 통해 전해질의 균등한 분배를 유도하고, 이를 통해 전극 이용률을 향상시킬 수 있는 효과가 있으며, 이를 통해 스택 내 전력효율을 극대화 시킬 수 있다. According to the present invention as described above, the present invention solves the shunt current through the increase of the shunt resistance through the increase of the manifold and the flow path length, and at the same time induces an even distribution of the electrolyte through the optimization of the two-phase flow, , there is an effect of improving the electrode utilization rate through this, and through this, the power efficiency in the stack can be maximized.

또한, 본 발명은 유로의 테이퍼(taper) 형상, 다수의 분배 유로의 적용, 공급 매니폴드와 배출 매니폴드, 유로의 면적비 최적화를 통해 션트전류 및 차압(압력강하)을 동시에 낮출 수 있는 효과가 있다. In addition, the present invention has the effect of simultaneously lowering the shunt current and the differential pressure (pressure drop) through the taper shape of the flow path, the application of multiple distribution flow paths, and optimization of the area ratio of the supply manifold and the discharge manifold and the flow path .

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수전해 셀 프레임의 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수전해 셀 프레임의 공급 분기 유로의 구성도를 도시한 것이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 수전해 셀의 공급 분기 유로의 확대도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수전해 셀 프레임의 배출 분기 유로의 구성도를 도시한 것이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 수전해 셀의 배출 분기 유로의 확대도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수전해 셀 프레임에 대하여 유속 분포 및 차압 분포 CFD(Computational Fluid Dynamic) 시뮬레이션 평가 결과를 도시한 것이다.1 is a block diagram of an electrolytic cell frame according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a supply branch flow path of a water electrolysis cell frame according to an embodiment of the present invention.
3A and 3B are enlarged views of a supply branch flow path of a water electrolysis cell according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of a discharge branch flow path of a water electrolysis cell frame according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are enlarged views of a discharge branch passage of a water electrolysis cell according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a flow velocity distribution and differential pressure distribution CFD (Computational Fluid Dynamic) simulation evaluation results for a water electrolysis cell frame according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase.

도 1은 본 발명의 일 형태에 따른 수전해 셀 프레임을 도시한 것으로, 도 1을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.FIG. 1 shows a water electrolysis cell frame according to an embodiment of the present invention, and the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 .

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 형태에 따른 수전해 셀 프레임(100)은 전해액 공급 매니폴드(110); 전해액 배출 매니폴드(150); 전해액 공급 매니폴드(110)와 전해액 배출 매니폴드(150) 사이에 위치하는 전해액 반응부(140); 전해액 공급 매니폴드(110)와 전해액 반응부(140)를 연통하는 전해액 공급 유로(120); 및 전해액 반응부(140)와 전해액 배출 매니폴드(150)를 연통하는 전해액 배출 유로(160)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , an electrolytic cell frame 100 according to an embodiment of the present invention includes an electrolyte supply manifold 110 ; electrolyte discharge manifold 150; an electrolyte reaction unit 140 positioned between the electrolyte supply manifold 110 and the electrolyte discharge manifold 150; an electrolyte supply passage 120 that communicates the electrolyte supply manifold 110 and the electrolyte reaction unit 140 ; and an electrolyte discharge passage 160 that communicates with the electrolyte reaction unit 140 and the electrolyte discharge manifold 150 .

수전해 셀 프레임(100)은 평판(plate)의 일면 또는 양면 대하여 전해액 공급 매니폴드(110); 전해액 공급 유로(120); 전해액 반응부(140); 전해액 배출 매니폴드(150); 및 전해액 배출 유로(160)를 포함할 수 있다.The electrolytic cell frame 100 includes an electrolyte supply manifold 110 for one or both sides of a plate; Electrolyte supply passage 120; electrolyte reaction unit 140; electrolyte discharge manifold 150; and an electrolyte discharge passage 160 .

전해액 공급 매니폴드(110)는 전해액이 셀 프레임(100) 내로 유입되도록 관통 홀(hole)의 형태로 제공될 수 있다. 전해액 공급 매니폴드(110)는 수전해 셀 프레임(100) 하부 측에 형성될 수 있으며, 제1 전해액 공급 매니폴드(110a)가 수전해 셀 프레임(100) 평판의 일면의 하부 일측에 형성되는 경우, 제2 전해액 공급 매폴드(110b)는 수전해 셀 프레임(100) 평판의 타면의 하부 타측에 형성될 수 있다.The electrolyte supply manifold 110 may be provided in the form of a through hole so that the electrolyte is introduced into the cell frame 100 . The electrolyte supply manifold 110 may be formed on the lower side of the water electrolysis cell frame 100 , and when the first electrolyte supply manifold 110a is formed on the lower side of one surface of the water electrolysis cell frame 100 flat plate , the second electrolyte supply manifold 110b may be formed on the other lower side of the other surface of the water electrolysis cell frame 100 flat plate.

전해액 공급 매니폴드(110)의 면적(Ain)은 전해액 배출 매니폴드(150)의 면적(Aout) 대비 2.0의 비(Ain/Aout)를 가질 수 있다.The area (A in ) of the electrolyte supply manifold 110 may have a ratio (A in /A out ) of 2.0 to the area (A out ) of the electrolyte discharge manifold 150 .

전해액 공급 유로(120)는 소정의 폭을 가지는 것이며, 일측으로부터 타측으로 연장된 소정의 길이를 갖는다. 전해액 공급 유로(120)의 일측은 전해액 공급 매니폴드(110)와 연통되는 것이며, 전해액 공급유로(120)의 일측을 통하여 전해액 공급 매니폴드(110)로부터 전해액을 전달받는다. 전해액 공급 유로(120)의 타측은 전해액 반응부(140)와 연통되는 것이며, 전해액 공급유로(120)로부터 전달받은 전해액을 전해액 공급 유로(120)의 타측과 연통된 전해액 반응부(140)로 전달한다. 전해액 공급 유로(120)는 전해액 반응부(140)의 하부와 연통될 수 있으며, 전해액 공급 매니폴드(110)로부터 전달받은 전해액을 전해액 공급 유로(120)의 타측을 통하여 전해액 반응부(140)의 하부로 공급한다. 전해액 공급 유로(120)의 폭(W1)은 전해액 공급 유로(120)의 일측에서부터 전해액 공급 유로(120)의 타측으로 점진적으로 감소하는 것일 수 있다. 전해액 공급 유로(120)의 일측의 폭(W1a) 대비 전해액 공급 유로(120)의 타측의 폭(W1b)의 비(W1b/W1a)은 0.3 내지 0.7일 수 있으며, 바람직하게는 0.5일 수 있다.The electrolyte supply passage 120 has a predetermined width and has a predetermined length extending from one side to the other side. One side of the electrolyte supply passage 120 communicates with the electrolyte supply manifold 110 , and the electrolyte is delivered from the electrolyte supply manifold 110 through one side of the electrolyte supply passage 120 . The other side of the electrolyte supply passage 120 is in communication with the electrolyte reaction unit 140 , and the electrolyte received from the electrolyte supply passage 120 is transferred to the electrolyte reaction unit 140 in communication with the other side of the electrolyte supply passage 120 . do. The electrolyte supply passage 120 may communicate with the lower portion of the electrolyte reaction unit 140 , and the electrolyte received from the electrolyte supply manifold 110 is passed through the other side of the electrolyte supply passage 120 of the electrolyte reaction unit 140 . supply to the bottom. The width W1 of the electrolyte supply passage 120 may gradually decrease from one side of the electrolyte supply passage 120 to the other side of the electrolyte supply passage 120 . The ratio (W1b/W1a) of the width W1b of the other side of the electrolyte supply passage 120 to the width W1a of one side of the electrolyte supply passage 120 may be 0.3 to 0.7, preferably 0.5.

수전해 셀 프레임(100)은 전해액 공급 유로(120)로부터 복수 개로 분기되며, 전해액 반응부(140)와 연통되는 다수 개의 공급 분배 유로(130)를 더 포함할 수 있다. 공급 분배 유로(130)는 전해액 공급 유로(120)와 전해액 반응부(140)의 사이에 위치하며, 다수 개의 공급 분배 유로(130)에 의하여 전해액 공급 유로(120)로부터 전해액 반응부(140)에 공급되는 전해액의 흐름 방향은 다수 개로 나뉜다. 전해액 공급 유로(120)로부터의 전해액이 다수 개의 공급 분배 유로(130)로 각각 유입된 후, 각각의 공급 분배 유로(130)에 유입된 전해액은 전해액 반응부(140)에 유입된다.The water electrolysis cell frame 100 may further include a plurality of supply distribution passages 130 that are branched from the electrolyte supply passage 120 and communicate with the electrolyte reaction unit 140 . The supply distribution passage 130 is located between the electrolyte supply passage 120 and the electrolyte reaction unit 140 , and from the electrolyte supply passage 120 to the electrolyte reaction unit 140 by a plurality of supply distribution passages 130 . The flow direction of the supplied electrolyte is divided into a plurality of directions. After the electrolyte from the electrolyte supply passage 120 flows into the plurality of supply distribution passages 130 , respectively, the electrolyte introduced into each of the supply distribution passages 130 flows into the electrolyte reaction unit 140 .

공급 분배 유로(130)는 전해액 공급 유로(120)의 길이 방향의 측부에 형성되는 것이며, 전해액 반응부(140)의 하부 길이 방향의 측부에 연통될 수 있다. 공급 분배 유로(130)는 전해액 공급 유로(120)의 길이 방향의 측부 중앙부에 형성되는 복수 개의 내측 공급 분배 유로(130a)와, 전해액 공급 유로(120)의 길이 방향의 측부 양단에 형성되는 한 쌍의 외측 공급 분배 유로(130b)로 구성될 수 있다.The supply distribution passage 130 is formed on the side in the longitudinal direction of the electrolyte supply passage 120 , and may communicate with the side in the longitudinal direction of the lower portion of the electrolyte reaction unit 140 . The supply distribution passage 130 includes a plurality of inner supply distribution passages 130a formed in the central portion of the side in the longitudinal direction of the electrolyte supply passage 120 , and a pair formed at both ends of the side in the longitudinal direction of the electrolyte supply passage 120 . may be composed of an outer supply distribution flow path 130b of

공급 분배 유로(130)의 폭(Width)은 전해액 공급 유로(120)의 폭(W1) 보다 작을 수 있다.The width of the supply distribution passage 130 may be smaller than the width W1 of the electrolyte supply passage 120 .

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 공급 분배 유로(130)의 구성도를 도시한 것으로, 도 2를 참조하면, 공급 분배 유로(130)는 도입부(131)와 유로 확장부(132)로 구성될 수 있다. 도입부(131)는 전해액 공급 유로(120)와 직접 연결되며, 도입부(131)는 일정한 유로의 폭(W2)를 갖는다. 유로 확장부(132)는 도입부(131)로부터 전해액 반응부(140)로 향하여 연장되며, 전해액 반응부(140)를 향하여 유로 확장부(132)의 폭(W3)이 점진적으로 증가한다. 유로 확장부(132)의 폭(W3)이 점진적으로 증가함에 따라 전해액 반응부(140)에 유입되는 전해액의 유속을 균일하게 조절할 수 있다.2 is a block diagram of a supply distribution flow path 130 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2 , the supply distribution flow path 130 includes an introduction part 131 and a flow path extension part 132 . can be The introduction part 131 is directly connected to the electrolyte supply flow path 120 , and the introduction part 131 has a predetermined flow path width W2 . The flow path extension part 132 extends from the introduction part 131 toward the electrolyte reaction part 140 , and the width W3 of the flow path expansion part 132 gradually increases toward the electrolyte solution reaction part 140 . As the width W3 of the flow path extension part 132 gradually increases, the flow rate of the electrolyte flowing into the electrolyte reaction part 140 may be uniformly adjusted.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 공급 분배 유로(130)의 부분 확대도를 도시한 것으로, 도 3a 및 도 3b를 참조하면,3A and 3B are partial enlarged views of the supply distribution flow path 130 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 3A and 3B ,

내측 공급 분배 유로(130a)는 도입부(131a)와 유로 확장부(132a)에 의하여 전해액이 전해액 반응부(140)의 하부 측변에 대하여 수직하게 공급되도록 구성될 수 있으며, 내측 공급 분배 유로(130a)의 개수는 4 내지 6개 일 수 있다.The inner supply distribution passage 130a may be configured such that the electrolyte is vertically supplied with respect to the lower side of the electrolyte reaction unit 140 by the introduction portion 131a and the passage extension portion 132a, and the inner supply distribution passage 130a). The number of may be 4 to 6.

내측 공급 분배 유로(130a)는 도입부(131a)의 폭(W2a) 대비 유로 확장부(132a)의 폭(W3a)의 비(W3a/W2a)는 2.0 내지 4.0일 수 있으며, 바람직하게는 3.0일 수 있다.The ratio (W3a/W2a) of the width W3a of the flow path extension part 132a to the width W2a of the introduction part 131a of the inner supply distribution flow path 130a may be 2.0 to 4.0, preferably 3.0. there is.

외측 공급 분배 유로(130b)는 도입부(131b)와 유로 확장부(132b)에 의하여 전해액이 전해액 반응부(140)의 하부 측변에 대하여 소정의 각도를 형성하여 공급되도록 구성될 수 있으며, 외측 공급 분배 유로(130b)는 도입부(131b)의 폭(W2b) 대비 유로 확장부(132b)의 폭(W3b)의 비(W3b/W2b)는 1.0 내지 1.5일 수 있으며, 바람직하게는 1.2일 수 있다. The outer supply distribution passage 130b may be configured such that the electrolyte is supplied at a predetermined angle with respect to the lower side of the electrolyte reaction unit 140 by the introduction portion 131b and the passage extension portion 132b, and the outer supply distribution In the flow path 130b, the ratio (W3b/W2b) of the width W3b of the flow path extension part 132b to the width W2b of the introduction part 131b may be 1.0 to 1.5, preferably 1.2.

전해액 반응부(140)는 셀 프레임(100)의 평판 중앙부에 소정의 면적을 가지고 있으며, 전극을 수용하여 전해액의 산화 환원 반응을 수행한다. The electrolyte reaction unit 140 has a predetermined area in the center of the flat plate of the cell frame 100 and receives an electrode to perform oxidation-reduction reaction of the electrolyte.

전해잭 반응부(140)에서 횡 방향으로의 폭(W4)은 240 내지 320 nm일 수 있으며, 공급 분배 유로(130) 개수(n)(6 내지 8개) 대비 전해액 반응부(140)의 폭(W4) 비율(W4/n)은 60 내지 80 일 수 있다.The width W4 in the transverse direction in the electrolytic jack reaction unit 140 may be 240 to 320 nm, and the width of the electrolyte reaction unit 140 compared to the number (n) (6 to 8) of the supply distribution passage 130 . (W4) The ratio (W4/n) may be 60 to 80.

전해액 반응부(140)의 면적은 셀 프레임(100)의 평판 면적 대비 70 내지 90%일 수 있다. 보다 구체적으로 전해액 반응부(140)의 면적은 600 내지 50,000 cm2일 수 있으며, 바람직하게 720 cm2일 수 있다.The area of the electrolyte reaction unit 140 may be 70 to 90% of the plate area of the cell frame 100 . More specifically, the area of the electrolyte reaction unit 140 may be 600 to 50,000 cm 2 , preferably 720 cm 2 .

전해액 배출 매니폴드(150)는 전해액이 셀 프레임(100) 외부로 배출되도록 관통 홀(hole)의 형태로 제공될 수 있다. 전해액 배출 매니폴드(150)는 수전해 셀 프레임(100) 상부 측에 형성될 수 있으며, 전해액 배출 매니폴드(150)는 수전해 셀 프레임(100) 평판의 일면에 상부 일측에 형성되는 경우, 수전해 셀 프레임(100) 평판의 타면에 상부 타측에 형성될 수 있다.The electrolyte discharge manifold 150 may be provided in the form of a through hole so that the electrolyte is discharged to the outside of the cell frame 100 . The electrolyte discharge manifold 150 may be formed on the upper side of the water electrolysis cell frame 100 , and the electrolyte discharge manifold 150 is formed on one side of the upper side on one surface of the water electrolysis cell frame 100 flat plate. The cell frame 100 may be formed on the other side of the upper surface of the flat plate.

전해액 배출 유로(160)는 소정의 폭을 가지는 것이며, 일측으로부터 타측으로 연장된 소정의 길이를 갖는다. 전해액 배출 유로(160)의 일측은 전해액 반응부(140)와 연통되는 것이며, 전해액 배출 유로(160)의 일측을 통하여 전해액 반응부(140)로부터 전해액을 전달받는다. 전해액 배출 유로(160)의 타측은 전해액 배출 매니폴드(150)와 연통되는 것이며, 전해액 반응부(140)로부터 전달 받은 전해액을 전해액 배출 유로(160)의 타측과 연통된 전해액 배출 매니폴드(150)로 전달한다. 전해액 배출 유로(160)는 전해액 반응부(140)의 상부와 연통될 수 있으며, 전해액 배출 유로(160)의 일측을 통하여 전해액 반응부(140)의 상부로부터 전해액을 전달받는다. The electrolyte discharge passage 160 has a predetermined width and has a predetermined length extending from one side to the other side. One side of the electrolyte discharge passage 160 is in communication with the electrolyte reaction unit 140 , and the electrolyte is delivered from the electrolyte reaction unit 140 through one side of the electrolyte discharge passage 160 . The other side of the electrolyte discharge passage 160 is in communication with the electrolyte discharge manifold 150, the electrolyte received from the electrolyte reaction unit 140 is in communication with the other side of the electrolyte discharge passage 160, the electrolyte discharge manifold 150 forward to The electrolyte discharge passage 160 may communicate with the upper portion of the electrolyte reaction unit 140 , and the electrolyte is delivered from the upper portion of the electrolyte reaction portion 140 through one side of the electrolyte discharge passage 160 .

전해액 배출 유로(160)의 일측으로부터 전해액 배출 유로(160)의 타측까지의 길이에 대한 폭(width)(W4)이 일정할 수 있다.A width W4 of the length from one side of the electrolyte discharge passage 160 to the other side of the electrolyte discharge passage 160 may be constant.

수전해 셀 프레임(100)은 전해액 배출 유로(160)로부터 복수 개로 분기되어 전해액 반응부(140)와 연통되는 다수 개의 배출 분배 유로(170)를 더 포함할 수 있다.The water electrolysis cell frame 100 may further include a plurality of discharge distribution passages 170 that are branched from the electrolyte discharge passage 160 and communicate with the electrolyte reaction unit 140 .

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배출 분배 유로(170)의 구성도를 도시한 것으로, 도 4를 참조하면, 배출 분배 유로(170)는 전해액 배출 유로(160)와 전해액 반응부(140)의 사이에 위치하며, 다수 개의 배출 분배 유로(170)에 의하여 전해액 반응부(140)로부터 전해액 배출 유로(160)에 공급되는 전해액의 흐름 방향은 다수 개로 나뉜다. 전해액 반응부(140)로부터의 전해액이 다수 개의 배출 분배 유로(170)로 각각으로 유입된 후, 각각의 배출 분배 유로(170)에 유입된 전해액은 전해액 배출 유로(160)로 유입된다.4 is a block diagram of a discharge distribution passage 170 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4 , the discharge distribution passage 170 includes an electrolyte discharge passage 160 and an electrolyte reaction unit 140 . It is located between the , and the flow direction of the electrolyte supplied from the electrolyte reaction unit 140 to the electrolyte discharge passage 160 by the plurality of discharge distribution passages 170 is divided into a plurality. After the electrolyte from the electrolyte reaction unit 140 flows into each of the plurality of discharge distribution passages 170 , the electrolyte introduced into each discharge distribution passage 170 flows into the electrolyte discharge passage 160 .

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 배출 분배 유로(170)의 부분 확대도를 도시한 것으로, 도 5a 및 도 5b를 참조하면,5A and 5B are partial enlarged views of the discharge distribution flow path 170 according to an embodiment of the present invention. Referring to FIGS. 5A and 5B ,

배출 분배 유로(170)는 전해액 배출 유로(160)의 길이 방향의 측부 중앙부에 형성되는 복수 개의 내측 배출 분배 유로(170a)와, 전해액 배출 유로(160)의 길이 방향의 측부 양단에 형성되는 한 쌍의 외측 배출 분배 유로(170b)로 구성될 수 있다.The discharge distribution passage 170 includes a plurality of inner discharge distribution passages 170a formed in the central portion of the side in the longitudinal direction of the electrolyte discharge passage 160 , and a pair formed at both ends of the side in the longitudinal direction of the electrolyte discharge passage 160 . It may be composed of an outer discharge distribution flow path 170b of

배출 분배 유로(170)의 폭은 전해액 공급 유로(120)의 폭(W5) 보다 작을 수 있다.The width of the discharge distribution passage 170 may be smaller than the width W5 of the electrolyte supply passage 120 .

배출 분배 유로(170)는 유출부(171)와 유로 감소부(172)로 구성될 수 있다. 배출부(131)는 전해액 배출 유로(160)와 직접 연결되며, 일정한 유로의 폭(W6)를 갖는다. 유로 감소부(172)는 유출부(171)로부터 전해액 반응부(140)로 향하여 연장되며, 전해액 반응부(140)에 대하여 폭(W7)이 점진적으로 증가한다.The discharge distribution flow path 170 may include an outlet 171 and a flow path reduction unit 172 . The discharge part 131 is directly connected to the electrolyte discharge flow path 160 and has a constant flow path width W6. The flow path reducing unit 172 extends from the outlet 171 toward the electrolyte reaction unit 140 , and the width W7 with respect to the electrolyte reaction unit 140 gradually increases.

내측 배출 분배 유로(170a)는 유출부(171a)와 유로 감소부(172a)에 의하여 전해액이 전해액 반응부(140)의 상부 측변으로부터 수직하게 배출되도록 구성될 수 있으며, 내측 배출 분배 유로(170a)의 개수는 4 내지 6개 일 수 있다.The inner discharge distribution passage 170a may be configured such that the electrolyte is vertically discharged from the upper side of the electrolyte reaction unit 140 by the outlet 171a and the flow passage reducing portion 172a, and the inner discharge distribution passage 170a) The number of may be 4 to 6.

내측 배출 분배 유로(170a)는 유출부(171a)의 폭(W6a) 대비 유로 감소부(172a)의 폭(W7a)의 비(W7a/W6a)는 2.0 내지 4.0일 수 있으며, 바람직하게는 3.0일 수 있다.The ratio (W7a/W6a) of the width W7a of the flow path reducing portion 172a to the width W6a of the outlet portion 171a of the inner discharge distribution passage 170a may be 2.0 to 4.0, preferably 3.0 days. can

외측 배출 분배 유로(170b)는 유로부(171b)와 유로 감소부(172b)에 의하여 전해액 반응부(140)의 상부 측변으로부터 전해액이 소정의 각도로 외측 배출 분배 유로(170b)에 유입되도록 구성될 수 있으며, 외측 배출 분배 유로(170b)는 유출부(171b)의 폭(W6b) 대비 유로 감소부(172b)의 폭(W7b)의 비(W7b/W6b)는 1.0 내지 1.5일 수 있으며, 바람직하게는 1.2일 수 있다The outer discharge distribution passage 170b is configured such that the electrolyte is introduced into the outer discharge distribution passage 170b at a predetermined angle from the upper side of the electrolyte reaction unit 140 by the passage portion 171b and the passage reducing portion 172b. A ratio (W7b/W6b) of the width W7b of the flow path reducing portion 172b to the width W6b of the outlet portion 171b may be 1.0 to 1.5, and preferably can be 1.2

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These Examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these Examples.

실험예 1. 셀 프레임 내 전류효율(%) 평가Experimental Example 1. Current efficiency (%) evaluation in cell frame

성능 평가는 운전전류밀도 0.4 A/cm2에서 전압 1.7 V의 성능을 갖는본 발명의 수전해 셀 프레임(100)을 적용한 알칼라인 수전해 단위스택(100장 셀(cell)) 기준으로 수행하였으며, 전류효율 감소율은 0.40 %를 보였다. 전류효율은 Faraday법칙에 따라 인가한 전류 대비 발생하는 이론적 수소발생량 대비 Wet gas meter를 통해 측정한 수소발생량의 비율로 평가하였다. 이 때 이론적 수소 발생량은 0℃, 1기압을 기준으로 보정하였다. The performance evaluation was performed on the basis of an alkaline water electrolysis unit stack (100 cells) to which the water electrolysis cell frame 100 of the present invention having a performance of voltage 1.7 V at an operating current density of 0.4 A/cm 2 was applied. The efficiency reduction rate was 0.40%. Current efficiency was evaluated as the ratio of hydrogen generation measured through a wet gas meter to theoretical hydrogen generation compared to applied current according to Faraday's law. At this time, the theoretical amount of hydrogen generation was corrected based on 0°C and 1 atm.

전해질 반응면적 720 cm2기준으로 전류 288A를 인가하였으며, 이 때 100장셀(cell)로 구성된 스택에서 이론적 수소발생량은 12.073 Nm3/h 이고 측정된 발생 수소량은 0℃, 1기압을 기준으로 12.024 Nm3/h 이였다.A current of 288A was applied based on the electrolyte reaction area of 720 cm 2 , and at this time, the theoretical amount of hydrogen generated in a stack consisting of 100 cells was 12.073 Nm 3 /h, and the measured amount of generated hydrogen was 12.024 based on 0°C and 1 atm. Nm 3 /h .

실험예 2. 셀프레임의 유속 및 차압 분포 평가Experimental Example 2. Evaluation of flow velocity and differential pressure distribution of cell frame

본 발명의 수전해 셀 프레임(100)에 대한 성능 평가를 위하여, 본 발명의 수전해 셀 프레임(100)을 적용한 20장 셀(cell)을 적층하여 10 kW급 알칼라인 수전해 스택을 구성하였다. 분리막으로는 Zirfon UTP0500을 사용하고, 양극으로는 니켈-철 수산화물 촉매, 음극으로는 Raney Ni 촉매를 각각 니켈 폼 상에 코팅하여 사용하였다. 2.8 기압, 80 ℃ 온도 조건에서 전류밀도 0.24 내지 0.45 A/cm2 구간에서 수소생산량, 전압효율, 전류효율을 7회 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 정리하였다. 표 1에서 수소생산량은 0 ℃, 1 기압으로 보정한 것이며, 전류효율은 인가된 전류에 대하여 이론적 수소발생량 대비 실제 발생하는 수소생산량을 측정하여, 0℃, 1기압 조건으로 보정하여 계산하였다.In order to evaluate the performance of the water electrolysis cell frame 100 of the present invention, 20 cells to which the water electrolysis cell frame 100 of the present invention is applied were stacked to construct a 10 kW class alkaline water electrolysis stack. Zirfon UTP0500 was used as a separator, a nickel-iron hydroxide catalyst was used as an anode, and a Raney Ni catalyst was coated on a nickel foam as an anode, respectively. Hydrogen production amount, voltage efficiency, and current efficiency were measured 7 times in the current density range of 0.24 to 0.45 A/cm 2 at 2.8 atmospheric pressure and temperature of 80 ° C. The results are summarized in Table 1 below. In Table 1, the hydrogen production amount was corrected to 0 ℃ and 1 atmosphere, and the current efficiency was calculated by measuring the actual hydrogen production amount compared to the theoretical hydrogen production amount with respect to the applied current, and correcting it under the conditions of 0 ℃ and 1 atmosphere.

구분division 1회1 time 2회Episode 2 3회3rd time 4회4 times 5회5 times 6회Episode 6 7회Episode 7 전해압력(bar)Electrolytic pressure (bar) 2.82.8 2.82.8 2.82.8 2.82.8 2.82.8 2.82.8 2.82.8 전해온도(℃)Electrolysis temperature (℃) 8080 8080 8080 8080 8080 8080 8080 수소생산량(Nm3/h)Hydrogen production (Nm 3 /h) 1.3001.300 1.5001.500 1.6701.670 1.8301.830 2.0002.000 2.2002.200 2.5002.500 스택전압(DC V)Stack voltage (DC V) 31.8831.88 32.3432.34 32.8632.86 33.4233.42 33.9233.92 34.434.4 34.834.8 단위셀 평균전압(DC V)Unit cell average voltage (DC V) 1.5941.594 1.6171.617 1.6431.643 1.6711.671 1.6961.696 1.7201.720 1.7401.740 스택전류(DC A)Stack current (DC A) 160160 180180 200200 220220 240240 264264 300300 전류밀도(DC A/cmCurrent density (DC A/cm) 22 )) 0.2420.242 0.2730.273 0.3030.303 0.3330.333 0.3640.364 0.4000.400 0.4540.454 인가전류 대비 수소발생량 이론값(Nm3 H2)Theoretical value of hydrogen generation compared to applied current (Nm 3 H 2 ) 1.341.34 1.511.51 1.681.68 1.841.84 2.012.01 2.212.21 2.522.52 전압효율(%)Voltage efficiency (%) 92.892.8 91.591.5 90.190.1 88.688.6 87.387.3 86.086.0 85.185.1 전류효율(%)Current efficiency (%) 96.996.9 99.499.4 99.699.6 99.299.2 99.499.4 99.499.4 99.499.4

실험예 3. 셀프레임의 유속 및 차압 분포 평가Experimental Example 3. Evaluation of flow velocity and differential pressure distribution of cell frame

통상 수전해 셀 내 매니폴드 및 유로 길이의 증가는 션트전류를 낮출 수 있지만 전해액 공급에 필요한 펌프 손실(pump loss)을 유도하기 때문에 공급 매니폴드와 배출 매니폴드 간 차압을 낮게 유지하는 것이 중요하다.In general, an increase in the manifold and flow path length in the water electrolysis cell can lower the shunt current, but it induces a pump loss required to supply the electrolyte, so it is important to keep the differential pressure between the supply manifold and the exhaust manifold low.

이에, 본 발명의 수전해 셀 프레임(100)에 대하여 유속 분포 및 차압 분포 시뮬레이션 평가를 수행하였으며, 평가 결과를 각각 도 6의 (a)(유속 분포), 도 6의 (b)(차암 분포)에 도시하였다. 이 때 시뮬레이션 결과는 전해질의 유속은 0.11 kg/s로 25wt% KOH가 흐를 때 80℃온도, 1기압 조건에서 Ansys Fluent 소프트웨어(software)를 이용하여 해석하였다.Accordingly, flow velocity distribution and differential pressure distribution simulation evaluation was performed on the water electrolysis cell frame 100 of the present invention, and the evaluation results are shown in FIGS. shown in At this time, the simulation results were analyzed using Ansys Fluent software at 80 °C temperature and 1 atm pressure when 25 wt% KOH flowed at a flow rate of 0.11 kg/s of electrolyte.

도 6을 참조하면, 전해액 공급 매니폴드(Inlet)에서 전해액 배출 매니폴드(Outlet)까지 최대 차압은 0.355 기압으로 일반 다이아프램(diaphragm) 정량펌프의 최소 토출압이 1 내지 4 기압임을 감안할 때 전해액 공급에서 유발되는 펌프손실이 매우 작은 수준으로 확인되었다.Referring to FIG. 6 , the maximum differential pressure from the electrolyte supply manifold (Inlet) to the electrolyte discharge manifold (Outlet) is 0.355 atm, considering that the minimum discharge pressure of a general diaphragm metering pump is 1 to 4 atm. It was confirmed that the pump loss induced in the

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기서 제시된 실시예들 이외에도 본 발며의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.On the other hand, the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are merely presented as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is apparent to those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains that other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented in addition to the embodiments presented here.

이상, 본 발명내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적인 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 의해 정의된다고 할 것이다.Above, a specific part of the present invention has been described in detail, for those of ordinary skill in the art, it is clear that this specific description is only a preferred embodiment, and the scope of the present invention is not limited thereby. something to do. Accordingly, it is intended that the substantial scope of the present invention be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (7)

전해액 공급 매니폴드;
전해액 배출 매니폴드;
상기 전해액 공급 매니폴드와 상기 전해액 배출 매니폴드 사이에 위치하는 전해액 반응부;
상기 전해액 공급 매니폴드와 상기 전해액 반응부를 연통하는 전해액 공급 유로; 및
상기 전해액 반응부와 상기 전해액 배출 매니폴드를 연통하는 전해액 배출 유로를 포함하며,
상기 전해액 공급 유로의 폭은 상기 전해액 공급 매니폴드와 연통되는 일측으로부터 상기 전해액 반응부와 연통되는 타측으로 점진적으로 감소하는 것인 수전해 셀 프레임.
electrolyte supply manifold;
electrolyte drain manifold;
an electrolyte reaction unit positioned between the electrolyte supply manifold and the electrolyte discharge manifold;
an electrolyte supply passage communicating the electrolyte supply manifold and the electrolyte reaction unit; and
and an electrolyte discharge passage communicating the electrolyte reaction part and the electrolyte discharge manifold,
The width of the electrolyte supply passage is gradually decreased from one side communicating with the electrolyte supply manifold to the other side communicating with the electrolyte reaction unit.
 제 1 항에 있어서,
상기 전해액 공급 매니폴드의 면적(Ain)은 상기 전해액 배출 매니폴드의 면적(Aout) 대비 2.0의 비(Ain/Aout)인 것인 수전해 셀 프레임.
The method of claim 1,
The area (A in ) of the electrolyte supply manifold is a ratio of 2.0 to the area (A out ) of the electrolyte discharge manifold (A in /A out ) The water electrolysis cell frame.
 제 1 항에 있어서,
상기 전해액 공급 유로는 상기 일측의 폭(W1a) 대비 상기 타측의 폭(W1b)의 비(W1b/W1a)가 0.3 내지 0.7인 것을 특징으로 하는 수전해 셀 프레임.
The method of claim 1,
In the electrolyte supply passage, a ratio (W1b/W1a) of the width W1b of the other side to the width W1a of the one side is 0.3 to 0.7.
 제 3 항에 있어서,
상기 전해액 공급 유로는 상기 일측의 폭(W1a) 대비 상기 타측의 폭(W1b)의 비(W1b/W1a)가 0.5인 것을 특징으로 하는 수전해 셀 프레임.
4. The method of claim 3,
In the electrolyte supply passage, a ratio (W1b/W1a) of the width W1b of the other side to the width W1a of the one side is 0.5.
 제 1 항에 있어서,
상기 전해액 공급 유로로부터 복수 개로 분기되어 상기 전해액 반응부와 연통되는 공급 분배 유로를 더 포함하는 수전해 셀 프레임.
The method of claim 1,
The water electrolysis cell frame further comprising a supply distribution passage branched from the electrolyte supply passage into a plurality and communicated with the electrolyte reaction unit.
 제 5 항에 있어서,
상기 공급 분배 유로는 상기 공급 유로보다 폭이 작은 것인 수전해 셀 프레임.
6. The method of claim 5,
The supply distribution passage is a water electrolysis cell frame having a width smaller than that of the supply passage.
 제 5 항에 있어서,
상기 공급 분배 유로는 상기 전해액 반응부에 대하여 폭이 점차적으로 증가하는 유로 확장부를 포함하는 것인 수전해 셀 프레임.6. The method of claim 5,
The supply distribution passage is a water electrolysis cell frame that includes a passage extension that gradually increases in width with respect to the electrolyte reaction unit.
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