KR20230088532A - 고전압용 슁글드 모듈기술을 이용한 전기화학-열화학 방식의 수전해 셀 스택 - Google Patents

고전압용 슁글드 모듈기술을 이용한 전기화학-열화학 방식의 수전해 셀 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 수소발생과정과 산소발생과정이 분리된 전기화학 열화학 방식의 수전해시스템의 셀 스택은 적어도 하나의 수전해 셀을 포함하고, 상기 수전해 셀은, 음극; 상기 음극을 마주보고 배치되는 양극; 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치되어, 산소와 수소의 이동 및 상기 음극과 상기 양극 간 절연을 위한 분리층을 포함한다.

Description

고전압용 슁글드 모듈기술을 이용한 전기화학-열화학 방식의 수전해 셀 스택{CELL STACK OF ELECTROCHEMICAL-THERMOCHEMICAL WATER ELECTROLYSIS SYSTEM USING SHINGLED MODULE TECHNOLOGY FOR HIGH VOLTAGE}
본 발명은 수소를 발생시키기 위한 수전해시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안전성을 향상시킨 수전해시스템의 수전해 셀 스택에 관한 것이다.
최근 태양광 등 이산화탄소를 배출하지 않는 신재생에너지의 사용이 늘고 있다. 태양광 발전의 경우, 날씨에 영향의 커서 전력공급이 일정하지 않아, 낮에는 잉여전력이 버려지거나, 밤에는 발전이 되지 않는다. 이를 해결하기 위해 남는 잉여 전력을 수소에너지로 변환해 저장하여 발전이 되지 않는 시간에 사용하려고 하는 연구가 진행되고 있다.
잉여 전력을 수소로 변환하여 저장하기 위해 수전해 기술이 다수 등장하였다. 대한민국특허 제 10-2011-0044619호에 의하면, 수전해를 위한 전기화학 수전해 셀 대부분은 가스확산층/양극촉매전극/분리막/음극촉매전극/가스확산층의 수전해 셀의 구조를 개시한다.
하지만 수전해 셀 내 분리막은 수소의 역류를 완전히 차단할 수 없어 수소와 산소의 결합에 의한 폭발가능성이 존재하고, 이온전도성을 갖는 분리막 자체가 고가라는 문제점이 존재한다.
상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 비용을 절감하고 안전성이 향상된 수전해 셀 스택을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수소발생과정과 산소발생과정이 분리된 전기화학 열화학 방식의 수전해 셀 스택은, 적어도 하나의 수전해 셀을 포함하고, 상기 수전해 셀은, 음극; 상기 음극을 마주보고 배치되는 양극; 상기 음극과 상기 양극 사이에 배치되어, 산소와 수소의 이동 및 상기 음극과 상기 양극 간 절연을 위한 분리층을 포함한다.
또한 실시예에 있어서, 상기 분리층은 다공성 재질로 구비될 수 있다.
또한 실시예에 있어서, 상기 분리층은 비전도성 재질로 구비될 수 있다.
또한 실시예에 있어서, 상기 분리층은 불소기반 소재를 포함할 수 있다.
또한 실시예에 있어서, 상기 분리층은 소수성 소재를 포함할 수 있다.
또한 실시예에 있어서, 상기 분리층은 다당류계 소재를 포함할 수 있다.
또한 실시예에 있어서, 상기 분리층에 형성된 기공의 직경은, 10nm 내지 100um 로 구비될 수 있다.
또한 실시예에 있어서, 상기 수전해 셀 스택은 복수로 적층되어 구성되며, 상기 복수의 셀 스택 각각의 경계에는 전도성플레이트가 구비된다.
본 발명에 따르면, 수전해 셀 스택은 수소와 산소를 시간적으로 분리하여 발생시키므로, 가스 혼합에 의한 폭발의 위험을 제거할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수전해 셀 스택은 비전도성의 분리층을 사용하므로, 종래의 이온전도성을 갖는 고가의 분리층을 이용한 수전해시스템에 비해 초기비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수전해 셀의 분리층이 다공성 소재로 구비됨으로써, 분리층이 가스확산기능을 수행할 수 있게 된다. 따라서 종래 분리막과 별도로 전극에 구비되던 가스확산층의 생략이 가능하여 제조공정이 간소화된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수전해시스템의 셀 스택을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 수전해 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 수전해 셀 스택의 전원 연결 구조를 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수전해 셀 스택을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 수전해 셀을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 수전해 셀 스택(10)은, 적층된 복수의 수전해 셀(100)와, 수전해 셀(100) 사이에 배치되는 전도성플레이트(140)를 포함한다.
수전해 셀(100)는, 수소를 발생시키는 수전해 셀 단위로서, 음극(110), 양극(120), 음극(110) 및 양극(120) 사이에 구비되는 분리층(130)을 포함한다.
음극(110)과 양극(120)은 분리층(130)을 사이에 두고 서로 마주보는 형태로 구비된다.
이하 본 발명의 수전해시스템의 작동과정을 설명하기 위해 양극이 수산화니켈(Ni(OH)2)인 것과, 물이 알칼리성인 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
음극(110)은 금속소재로 구비되며, 수소(H2)를 발생시키는 기능을 수행한다.
수소발생과정 중 일정 전압이 인가되어 음극(110)에 전자(2e-)가 들어오면, 음극(110) 근처의 섭씨 20도 내지 30도씨의 물(2H20)은 전기화학적으로 활성화되어 음극(110)으로부터 전자(2e-)를 얻고 환원되어 수소(2H2)와 수산화이온(2OH-)으로 전환한다. 이때 생성된 수소(2H2)는 수소저장탱크(미도시)에 저장된다.
한편 음극(110)은 산소발생과정 중 전원이 차단된 상태로 존재하며, 음극(110)에서는 어떠한 반응도 일어나지 않는다.
양극(120)은 산소(O2)를 발생시킨다. 양극(120)은 섭씨 90도 내지 100도 사이에서 전원인가없이 주변의 물(H2O)이 열적화학적으로 활성화되어 산소를 발생시킬 수 있는 금속소재로로 구비될 수 있다. 예를 들어, 양극(120)은 수산화니켈(Ni(OH2)) 등의 금속수산화물로 구비될 수 있다.
수소발생과정 중 음극(110)에서 발생한 수산화이온(OH-)와 반응하여 수산화니켈(Ni(OH2))에서 니켈옥시수산화물(NiOOH)로 산화되면서 물(H2O)과 전자(e-)를 발생시킨다.
그리고 산소발생과정 중, 양극(120)은 물(2H20)과 반응하여 니켈옥시수산화물(4NiOOH)에서 수산화니켈((Ni(OH2))로 환원됨으로써 초기상태로 돌아간다.
분리층(130)은 음극(110)과 양극(120) 사이에 배치되어, 산소와 수소의 확산기능 및 음극(110)과 상기 양극(120) 간 절연기능을 수행한다.
본 발명에 따른 전기화학-열화학 방식의 수전해 셀 스택은, 기존의 알칼리 전기분해의 기존 물 산화 반응을 이용한 수전해 셀 스택이 수소와 산소를 동시에 생성하는 것과는 달리, 수소발생과정과 산소발생과정이 시간적으로 분리되어 있다.
분리층(130)은 비전도성 절연소재로 구비되어 절연기능을 수행할 수 있으며, 다공성 소재를 포함하여 확산기능을 수행할 수 있으며, 수전해 셀 스택 구조를 유지하는 기능을 수행한다.
즉, 분리층(130)은, 기존 수전해 셀 구조의 전극에 구비되는 가스확산층의 기능과, 양 전극 사이를 절연시키며 스택 구조로 형성할 수 있도록 지지하는 기능을 수행한다. 이에 따라 음극(110) 및 양극(120)에는 가스확산층이 생략될 수 있다.
분리층(130)은 비전도성으로 구비될 수 있다. 수소발생과정과 산소발생과정이 시간적으로 분리되어 있으므로, 수소와 산소의 격리가 필요하지 않게 되어 이온전도성을 갖는 고가의 분리층을 사용할 필요가 없다. 또한 그에 따라 수소와 산소의 혼합에 의한 폭발위험이 없다. 본 발명의 수전해 셀(100)에 적용되는 비전도성 분리층(130)은 기존 이온전도성 분리층에 비해 저가이므로, 비용절감이 가능하다.
분리층(130)은 다공성 소재로 구비될 수 있다. 다공성 소재는 수소와 산소의 가스확산층으로의 기능을 수행할 수 있게 한다.
분리층(130)에 형성되는 기공(G)의 직경은 다양한 크기로 형성될 수 있으나, 분리층(130)의 기공(G) 직경은 10nm 내지 100um으로 형성됨이 바람직하다. 기공(G)의 직경이 10nm 미만인 경우, 분리층(130)을 통한 수소, 산소의 이동이 원활하지 못하여 가스확산기능을 수행할 수 없게 될 수 있다. 한편 분리층(130)에 형성된 기공(G)의 직경이 100um이상인 경우 유체의 유속 등을 버티기 힘든 기계적 강도의 한계점이 있을 수 있다.
분리층(130)은 다양한 크기의 기공(G)이 배치된 구조로 구비될 수 있다. 예를 들어, 기공(G)의 크기는 음극(110)과 양극(120)으로부터 멀어질수록 커지거나 또는 작아지는 형태로 구비될 수 있다. 또는 기공(G)의 크기는 평면 상에서 일측이 타측보다 커지거나 또는 작아지는 형태로 구비될 수 있다. 또는 기공(G)의 크기는 분리층(130) 내에 다양하게 존재할 수 있다.
분리층(130)은 수산기, 아미노기, 카르복실기 등을 포함하지 않는 소수성 소재를 포함하거나 분리층은 친수성 소재의 표면에 소수성 막이 형성된 구조를 포함할 수 있다. 이때 소수성 소재는 불소를 포함하지 않은 소재일 수 있다. 예를 들어 분리층(130)은 폴리스티렌 등이 될 수 있다. 분리층(130) 자체가 소수성 소재로 구비되거나, 또는 친수성 기재를 발수처리하여 기재 표면에 소수성 막이 형성된 구조일 수 있다.
분리층(130)이 소수성을 갖는 경우, 소수성 소재에 의해 분리층(130)의 기공 내부에 액체가 채워지는 것을 방지하여 분리층(130)의 가스확산기능 저하를 방지할 수 있다.
또는 분리층(130)은 구조적 지지기능을 수행할 수 있는 다당류계 소재를 포함할 수 있다. 다당류계 소재는 친환경 물질로서, 아가로스(agarous), 셀룰로오스(cellulose), 키틴(chitin) 중 어느 하나로 구비될 수 있다.
또한 분리층(130)은 내화학성을 갖는 폴리비닐리덴플로라이드(Polyvinylidene fluoride (PVDF)), 술포네이트 테트라풀루오르에틸렌(Sulfonated tetrafluoroethylene) 등의 불소소재를 포함할 수 있다.
수전해 셀 스택(10)은 복수로 적층된 구조의 수전해 셀(100)을 포함한다.
이때 전도성 플레이트(140)는 복수의 수전해 셀(100) 각각의 경계에 구비될 수 있다.
수전해 셀(100)은 수전해 스택(10) 내에서 직렬연결될 수 있다. 복수의 수전해 셀 중 가장 일측에 위치한 수전해 셀의 양극과 가장 타측에 위치한 수전해 셀의 음극에 전원을 인가함으로써 별도의 도선없이 모든 수전해 셀(100)에 전원인가가 가능하다.
수전해 셀 스택은 유로(미도시)가 형성된 하우징(미도시)과 결합하여 수전해시스템을 구성할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1에 도시된 수전해 셀 스택의 전원 연결 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3a를 참조하면, 직렬구조의 전원인가방법으로서, 수전해 셀 스택구조의 일단에 위치한 전도성 플레이트(140)에 양의 전압을 인가하고, 타단에 위치한 전도성 플레이트(140)에 음의 전압을 인가한다. 수전해 셀 스택구조 내의 수전해 셀은 직렬구조로 전원을 공급받는다.
도 3b의 경우, 보완된 직렬구조의 전원인가방법으로서, 수전해 셀(100) 각각에 걸리는 전압을 조정할 수 있는 가변저항부(160) 및 전압측정부(미도시)를 구비하는 전압조정부(150)가 수전해 셀 스택(10)에 포함될 수 있다. 수전해 셀 스택에 전압조정부(150)가 구비된다. 전압조정부(150)는 수전해 셀(100) 각각에 대한 인가되는 전압을 측정하고, 가변저항부(160)가 측정된 전압에 기반하여 저항을 조정하여 수전해 셀(100) 각각에 대해 필요한 전압이 정확하게 공급되도록 한다.
도 3c를 참조하면, 병렬구조의 전원인가방법으로써, 각각의 수전해 셀(100)은 병렬연결구조로 전원을 인가받을 수 있다. 이 경우 각각의 수전해 셀(100)은 필요한 전압을 정확하게 인가받을 있다. 이 경우, 하나의 전도성 플레이트(140)를 사이에 두고 마주보는 2개의 수전해 셀들의 음극은 서로 마주보는 형태로 구비되거나, 양극이 서로 마주보는 형태로 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 수전해 셀이 비전도성의 분리층을 사용하므로, 종래 고가의 이온전도성 분리층을 이용한 수전해시스템에 비해 초기비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 따르면, 수전해 셀의 분리층이 다공성 소재로 구비됨으로써, 분리층이 가스확산기능을 수행할 수 있게 된다. 따라서 종래 분리막과 별도로 전극에 구비되던 가스확산층의 생략이 가능하다.
이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다
10: 수전해 셀 스택
100: 수전해 셀
110: 음극
120: 양극
130: 분리층
140: 전도성플레이트

Claims (8)

  1. 수소발생과정과 산소발생과정이 분리된 전기화학 열화학 방식의 수전해시스템의 셀 스택에 있어서,
    상기 셀 스택은 적어도 하나의 수전해 셀을 포함하고,
    상기 수전해 셀은,
    음극;
    상기 음극을 마주보고 배치되는 양극;
    상기 음극과 상기 양극 사이에 배치되어, 산소와 수소의 이동 및 상기 음극과 상기 양극 간 절연을 위한 분리층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학-열화학 방식의 의 수전해시스템의 셀 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리층은 다공성 재질로 구비되는 것을 특징으로 하는 전기화학-열화학 방식의 의 수전해 셀 스택.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리층은 비전도성 재질로 구비되는 것을 특징으로 하는 전기화학-열화학 방식의 의 수전해 셀 스택.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 분리층은 불소기반 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학-열화학 방식의 의 수전해 셀 스택.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분리층은 소수성 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학-열화학 방식의 의 수전해 셀 스택.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분리층은 다당류계 소재인 것을 특징으로 하는 전기화학-열화학 방식의 의 수전해 셀 스택.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리층에 형성된 기공의 직경은, 10nm 내지 100um 인 것을 특징으로 하는 전기화학-열화학 방식의 의 수전해 셀 스택.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수전해 셀 스택은 복수로 적층되어 구성되며,
    상기 복수의 셀 스택 각각의 경계에는 전도성플레이트가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기화학-열화학 방식의 의 수전해 셀 스택.
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