KR20230131747A - 복합 전극 분리막 및 이를 포함하는 복합 수소생산 스택 - Google Patents
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Abstract
복합 전극 분리막 및 이를 포함하는 복합 수소생산 스택에 관한 것으로써, 복합 전극 분리막은 전극, 기액확산층, 및 분리판의 복수의 구성부품이 하나의 구성으로 통합되도록 구성되어 있으므로, 이를 스택에 적용할 경우, 스택에 적용되는 부품수를 감소시킴으로써 스택 조립을 간소화시킴은 물론, 스택 부피를 감축시킬 뿐만 아니라, 전해질 저항을 줄여 운전 전류밀도를 높일 수 있으므로 고효율 및 고전류의 운전이 가능한 장점이 있다. 또한, 복합 수소생산 스택은 산소의 양을 조절함으로써 수소가스와 전력생산을 함께 이뤄지게 하거나 전력생산만을 이뤄지게 할 수 있을 뿐만 아니라, 암모니아 수전해 반응을 통해 수소가스만을 생산시킬 수 있다.
Description
전극부와 일체로 형성되어 있는 복합 전극 분리막과 이를 포함하는 복합 수소생산 스택에 관한 것이다.
온실가스 배출과 지구온난화 문제로 인하여 화석연료를 대체할 수 있는 신재생 에너지 개발의 필요성이 증가하고 있다. 수소는 신재생 에너지원으로서 연소 후에도 공해물질을 실질적으로 배출하지 않아 주목을 받고 있다. 다만, 수소는 이를 저장하고 운반하기 위해 복잡한 설비나 공정이 필요하다는 단점이 있다.
한편, 암모니아는 한 분자당 세 개의 수소를 가지고 있으며, 분해하면 수소와 질소만 나오기 때문에 이산화탄소 배출을 최소화할 수 있어서 수소 공급원으로 주목을 받고 있다. 또한, 암모니아는 이미 산업적인 용도로 생산되어 전 세계 곳곳에서 사용되고 있으므로 기존의 암모니아 인프라를 활용할 수 있어서 운반이나 저장에 이점이 많다. 이에 따라 암모니아를 이용한 수소 생산 방식이 개발되고 있다.
다만, 종래 암모니아를 이용한 수소 생산 방식 중 하나인 열분해법의 경우 400도 이상의 고온이 필요할 뿐만 아니라 비싼 촉매 사용이 필수적인 단점이 있다. 또한, 알칼리 금속 아미드법의 경우도 단가가 높아 경제성이 낮으며, 수전해법의 경우도 외부 전원 공급이 필요한 단점이 있었다.
이에, 외부 전원 공급의 전력 소모를 감소시키면서도 전해질 저항을 줄여 운전 전류 밀도를 향상시킬 수 있는 수소생산시스템 등이 필요한 실정이었다.
상기 문제를 해결하기 위한 목적은 다음과 같다.
전극, 기액확산층, 및 분리판의 복수의 구성부품이 하나의 구성으로 통합된 복합 전극 분리막을 제공할 수 있다.
또한, 상기 복합 전극 분리막을 포함하고, 암모니아를 원료로 하여, 애노드에서 질소(N2)가 발생하고, 전해질에 용해된 산소 농도 조절에 따른 셀 포텐셜 조절을 통해 필요에 따라 수소(H2)를 발생시키는 것을 특징으로 하는 복합 수소생산 스택을 제공할 수 있다.
일 측면에 따른 복합 전극 분리막은 판(Plate) 형상을 갖는 분리부; 상기 상기 분리부의 양면에 형성되어, 반응물과 생성물이 유동하는 유로 및 반응물이 유입되고 생성물이 배출되는 입출공을 갖는 수송부; 상기 양면에 형성된 수송부 이외의 영역을 갖는 반응부; 및 상기 반응부에 위치하여, 캐소드와 애노드를 포함하는 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 전극부는 상기 캐소드와 애노드 사이에 멤브레인이 위치할 수 있다.
상기 입출공은 캐소드 입출공 및 애노드 입출공을 포함할 수 있다.
상기 캐소드 입출공은 수송부로 유입되는 반응물의 산소의 양을 조절하는 산소조절부;를 더 포함할 수 있다.
상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물의 수소이온농도는 pH 6 내지 8일 수 있다.
상기 입출공에 유입되는 반응물의 수소이온농도는 pH 12 내지 15일 수 있다.
상기 캐소드 금속폼, 금속박막, 탄소페이퍼, 탄소섬유, 탄소펠트, 및 탄소 천으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 애노드는 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 및 구리(Cu)로부터 선택되는 1종 이상의 금속촉매를 포함할 수 있다.
상기 전극부는 비표면적이 5m2/g 내지 100m2/g이고, 기공 크기가 0.02㎛ 내지 12㎛일 수 있다.
다른 일 측면에 따른 복합 수소생산 스택은 복합 전극 분리막, 및 상기 전극 분리막 양면 상에 위치한 집전판을 포함하는 단위셀을 1 이상 포함할 수 있다.
상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물의 산소의 농도가 12% 이하인 경우, 상기 캐소드의 전자가 물(H2O)와 반응하여 수소(H2)를 생성물로 배출할 수 있다.
상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물의 산소의 농도가 12% 초과인 경우, 상기 캐소드의 전자가 물(H2O)과 산소(O2)와 반응하여 수산화이온(OH-)를 발생시킬 수 있다.
상기 애노드에서 암모니아(NH3)와 수산화이온(OH-)이 산화되어, 상기 애노드 입출공에서 질소(N2)를 생성물로 배출할 수 있다.
상기 복합 수소생산 스택은 0V 내지 0.6V 범위의 셀 포텐셜에서 0 mA/cm2 초과 내지 100 mA/cm2 이하의 전류 밀도가 발생하는 자발적 반응이 진행될 수 있다.
상기 복합 수소생산 스택은 암모니아 수전해 반응을 통해 100 mA/cm2 를 초과하는 전류밀도를 나타낼 수 있다.
일 구현예에 따른 복합 전극 분리막은 전극, 기액확산층, 및 분리판의 복수의 구성부품이 하나의 구성으로 통합되도록 구성되어 있으므로, 이를 스택에 적용할 경우, 스택에 적용되는 부품수를 감소시킴으로써 스택 조립을 간소화시킴은 물론, 스택 부피를 감축시킬 뿐만 아니라, 전해질 저항을 줄여 운전 전류밀도를 높일 수 있으므로 고효율 및 고전류의 운전이 가능한 장점이 있다.
또한, 다른 일 구현예에 따른 복합 수소생산 스택은 산소의 양을 조절함으로써 수소가스와 전력생산을 함께 이뤄지게 하거나 전력생산만을 이뤄지게 할 수 있을 뿐만 아니라, 암모니아 수전해 반응을 통해 수소가스만을 생산시킬 수 있다.
도 1는 복합 전극 분리막의 정면도이다.
도 2는 복합 전극 분리막을 포함하는 복합 수소생산 스택의 분해도이다.
도 3는 실시예 1에 따른 복합 수소생산 스택의 셀포텐셜을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따른 복합 수소생산 스택의 셀포텐셜에 따른 전류밀도에 관한 그래프이다.
도 5은 실시예 1에 따른 복합 수소생산 스택의 산소 첨가에 따른 반응을 분석한 그래프이다.
도 2는 복합 전극 분리막을 포함하는 복합 수소생산 스택의 분해도이다.
도 3는 실시예 1에 따른 복합 수소생산 스택의 셀포텐셜을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1에 따른 복합 수소생산 스택의 셀포텐셜에 따른 전류밀도에 관한 그래프이다.
도 5은 실시예 1에 따른 복합 수소생산 스택의 산소 첨가에 따른 반응을 분석한 그래프이다.
이상의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
본 명세서에 있어서, 범위가 변수에 대해 기재되는 경우, 상기 변수는 상기 범위의 기재된 종료점들을 포함하는 기재된 범위 내의 모든 값들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. 예를 들면, "5 내지 10"의 범위는 5, 6, 7, 8, 9, 및 10의 값들뿐만 아니라 6 내지 10, 7 내지 10, 6 내지 9, 7 내지 9 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 5.5, 6.5, 7.5, 5.5 내지 8.5 및 6.5 내지 9 등과 같은 기재된 범위의 범주에 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다. 또한 예를 들면, "10% 내지 30%"의 범위는 10%, 11%, 12%, 13% 등의 값들과 30%까지를 포함하는 모든 정수들뿐만 아니라 10% 내지 15%, 12% 내지 18%, 20% 내지 30% 등의 임의의 하위 범위를 포함하고, 10.5%, 15.5%, 25.5% 등과 같이 기재된 범위의 범주 내의 타당한 정수들 사이의 임의의 값도 포함하는 것으로 이해될 것이다.
종래 암모니아를 이용한 수소 생산 방식 중 하나인 열분해법의 경우 400도 이상의 고온이 필요할 뿐만 아니라 비싼 촉매 사용이 필수적인 단점이 있다. 또한, 알칼리 금속 아미드법의 경우도 단가가 높아 경제성이 낮으며, 수전해법의 경우도 외부 전원 공급이 필요한 단점이 있었다.
이에 본 발명자들은 상기 문제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 전극, 기액확산층, 집전판, 및 분리판의 복수의 구성부품이 하나의 구성으로 통합된 복합 전극 분리막과 이를 적용한 복합 수소생산 스택의 경우, 스택에 적용되는 부품수를 감소시킴으로써 스택 조립을 간소화시킴은 물론, 스택 부피를 감축시킬 뿐만 아니라, 전해질 저항을 줄여 운전 전류밀도를 높일 수 있으므로 고효율 및 고전류의 운전이 가능한 장점이 있다는 것을 발견하고 이를 완성하였다.
도 1는 복합 전극 분리막의 정면도이다.
상기 도 1를 참고하면, 일 구현예에 따른 복합 전극 분리막(100)은 판(Plate) 형상을 갖는 분리부(110); 상기 상기 분리부의 양면에 형성되어, 반응물과 생성물이 유동하는 유로(133) 및 반응물이 유입되고 생성물이 배출되는 입출공(135)을 갖는 수송부(130); 상기 일면 또는 양면에 형성된 수송부 이외의 영역을 갖는 반응부(150); 및 상기 반응부에 위치하여, 캐소드와 애노드를 포함하는 전극부(170);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분리부(110)는 반응물과 생성물의 기액확산을 위한 수송부와 전극반응을 하는 반응부의 지지체 역할을 수행할 수 있으면 형상은 제한되지 않으나, 바람직하게는, 판(Plate) 형상을 갖을 수 있다.
상기 분리부는 수송부와 반응부의 지지체 역할을 수행하기 위해 내구성이 큰 플라스틱, 금속, 또는 합금 등을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 기계적 물성이 강하면서도 비중이 낮은 플라스틱일 수 있고, 예를 들어, PTFE, EPDM, 복합 PP로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 분리부는 측부에 가이드 홈(190)을 더 포함할 수 있다. 상기 가이드 홈은 추후 복합 수소생산 스택 조립 시 별도의 가이드 부재가 가이드 홈으로 체결되면서 집전판, 복합 전극 분리막, 체결판의 조립이 용이할 수 있다.
상기 수송부(130)는 상기 분리부의 양면에 형성되어, 반응물이 유입되고 생성물이 배출되는 입출공(133), 및 반응물과 생성물이 유동하는 유로(135)를 갖는다.
일 실시예에 따라, 상기 수송부(130)는 반응물이 전극부로 유입하고 생성물이 전극부로부터 배출될 수 있는 입출공(133)을 포함할 수 있고, 바람직하게는,상기 입출공은 캐소드 입출공(133a) 및 애노드 입출공(133b)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 캐소드 입출공(133a)은 수송부의 일측에 형성되고, 타측에도 이와 동일한 캐소드 입출공(133a)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 캐소드 입출공의 일면에 반응물인 전해질 및 산소기체가 유입될 수 있고, 캐소드 입출공의 타면에 생성물인 수산화이온을 포함하는 전해질, 및 수소기체가 배출될 수 있다.
상기 캐소드 입출공(133a)은 전극부로 유입되는 반응물의 산소의 양을 조절하는 산소조절부를 더 포함할 수 있다. 산소조절부를 통해 산소를 조절하여 캐소드의 반응을 조절할 수 있는 특징이 있다.
일 실시예에 따라, 상기 애노드 입출공(133b)은 상기 캐소드 입출공(133a)과 대응되는 일측에 형성되고, 타측에도 대응되게 애노드 입출공(133b)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 애노드 입출공의 일면에 반응물인 암모니아 및 수산화이온을 포함하는 전해질을 유입될 수 있고, 애노드 입출공의 타면에 생성물인 전해질 및 질소기체가 배출될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 유로(135)는 상기 입출공은 캐소드 입출공(133a) 및 애노드 입출공(133b)과 연결되어, 캐소드 입출공의 일면에 유입되는 반응물인 전해질 및 산소기체를 전극부 내 캐소드로 유동시키는 역할, 애노드 입출공의 일면에 유입되는 반응물인 암모니아 및 수산화이온을 포함하는 전해질을 전극부 내 유동시키는 역할, 캐소드 입출공의 타면에 배출되는 생성물인 수산화이온을 포함하는 전해질 및 수소기체를 유동시키는 역할, 및 애노드 입출공의 타면에 배출되는 생성물인 전해질 및 질소기체를 유동시키는 역할을 수행할 수 있다.
상기 수송부는 분리부에 음각의 형상으로 양면에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 수송부는 분리부에 머시닝 가공, 화학적 에칭, 전기화학적 에칭을 통하여 형성될 수 있다.
구체적으로, 수송부는 머시닝센터(NCT) 가공 또는 에칭을 통하여 형성될 수 있다. 상기 수송부는 분리부의 표면으로부터 수직방향으로 음각으로 형성될 수 있다.
상기 분리부 표면으로부터 음각되는 수송부의 깊이는 상기 통로 역할을 수행할 수 있을 정도면 제한되지 않고, 바람직하게는, 1 mm 이하의 깊이로 형성될 수 있다.
상기 수송부는 전극부의 전극에 따라 반응부 상에 유입되는 전해질의 종류와 달라질 수 있고, 추가적으로, 산소조절부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물은 중성인 전해질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질의 수소이온농도는 pH 6 내지 8의 범위일 수 있고, 바람직하게는, 대략 pH 7 일 수 있다.
상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질은 수계 전해질, 구체적으로 물을 함유하는 수계 전해질일 수 있다. 상기 전해질은 물 이외에도 다른 전해 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 물 이외의 다른 전해 물질의 종류는 상기 전해질의 pH를 중성으로 하는 전해 물질이어야 하는 점을 제외하고는 특별히 그 종류가 제한되지는 않으며, 당업계에 공지된 임의의 전해 물질 수 있다. 상기 전해 물질은 예를 들어 중성 전해물질일 수 있으며, 예를 들어 KHCO3, KCl, 및 Na2SO4 로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
한편, 상기 애노드 입출공에 유입되는 반응물은 염기성인 전해질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 애노드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질의 수소이온농도는 pH 12 내지 15의 범위일 수 있고, 바람직하게는, 대략 pH 14 내지 15 일 수 있다.
상기 애노드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질은 수계 전해질, 구체적으로 물을 함유하는 수계 전해질일 수 있다. 상기 전해질은 물 이외에도 암모니아를 더 함유할 수 있으며, 물과 암모니아 이외에도 다른 전해 물질을 더 포함할 수 있다. 상기 다른 전해 물질의 종류는 상기 전해질의 pH 를 알칼리성으로 하는 전해 물질이어야 하는 점을 제외하고는 특별히 그 종류가 제한되지는 않으며, 당업계에 공지된 임의의 전해 물질 수 있다.
상기 전해 물질은 예를 들어 알칼리성 전해 물질일 수 있으며, 예를 들어 알칼리 금속 수산화물(예를 들어, LiOH, NaOH, 또는 KOH)에서 선택된 적어도 1종이 용해된 알칼리성 수용액일 수 있으며, 구체적으로는 KOH 수용액일 수 있다.
상기 반응부(150)는 수송부 이외의 영역을 갖고, 전극부가 형성될 수 있는 공간을 제공할 수 있으면 특별히 제한되지 않는다.
상기 반응부는 전극부가 전극반응을 위해 유입되는 반응물 및 배출되는 생성물의 수송을 위해 상기 수송부 내 유로(135)를 통해 연통될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 반응부는 전극부가 형성될 수 있는 공간을 제공도록 빈 공간 또는 빈 영역을 가질 수 있다.
상기 전극부(170)(미도시)는 상기 반응부 영역에 형성된다.
일 실시예에 따라, 상기 전극부는 상기 반응부에 위치하여, 캐소드와 애노드를 포함할 수 있고, 바람직하게는, 상기 캐소드와 애노드 사이에 위치한 멤브레인도 포함할 수 있다.
상기 전극부는 발생한 기체의 확산 및 열배출을 위해 다공성 구조를 가질 수 있다. 상기 다공성 구조로 형성시키기 위해, Ti mesh (티타늄 메쉬), Ni foam(니켈 폼) 등을 전기화학적 도금, 스프레이 코팅, PVD 증착, 용사코팅 또는 수열합성법을 통하여 전극부를 형성될 수 있다.
이에 따라, 상기 전극부는 비표면적이 5m2/g 내지 100m2/g이고, 기공 크기가 0,02㎛ 내지 12㎛인 것일 수 있다. 상기 범위를 벗어나, 비표면적이 너무 작거나 기공크기가 클 경우 촉매의 분산도를 낮추고, 전체적인 촉매의 활성면적을 감소시켜 낮은 촉매활성을 나타나는 단점이 있다. 또한, 비표면적이 너무 크거나 기공크기가 너무 작을 경우 전해질 전달에 제한이 있어 반응속도가 감소하는 단점이 있다.
구체적으로, 상기 전극부에 포함된 캐소드는 환원전극일 수 있고, 캐소드에서 전자를 환원할 수 있는 물질을 포함하는 것이라면 특별하게 제한되지 않으며,금속폼, 금속박막, 탄소페이퍼, 탄소섬유, 탄소펠트, 및 탄소 천으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
또한, 캐소드의 환원반응 촉진을 위해 촉매를 캐소드 내에 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 캐소드로 유입되는 전해질에 용해된 산소의 농도가 낮을 경우 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction) 촉매를 포함하는 것일 수 있으나, 상기 캐소드로 유입되는 전해질에 용해된 산소의 농도가 높을 경우도 상기 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction) 촉매를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 수소 발생 반응(hydrogen evolution reaction) 촉매는 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 및 구리(Cu)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 촉매를 포함할 수 있고, 특정 종류만으로 한정되지않는다.
또한, 상기 전극부에 포함된 애노드는 산화전극일 수 있고, 애노드에서 암모니아 산화 반응 촉매를 포함하는 것이라면 특별하게 제한되지 않는다.
상기 애노드에 포함될 수 있는 암모니아 산화 반응 촉매는 암모니아의 산화분해 촉매로 공지된 임의의 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 및 구리(Cu)로부터 선택되는 1종 이상의 금속촉매를 포함할 수 있으나, 반드시 이것으로 한정되지 않는다.
일 실시예에 따라, 상기 복합 전극 분리막은 캐소드, 애노드, 및 멤브레인이 포함되어 있는 복합 가스켓일 수 있다.
도 2는 복합 전극 분리막을 포함하는 복합 수소생산 스택의 분해도이다.
도 2를 참고하면, 다른 일 구현예에 따른 복합 수소생산 스택은 복합 전극 분리막, 및 전극 분리막 양면 상에 위치한 집전판을 포함하는 단위셀을 1 이상 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 복합 수소생산 스택(1)은 복합 전극 분리막(100), 및 전극 분리막 양면 상에 위치한 집전판(200)을 포함하는 단위셀을 1로 포함할 수 있다.
상기 집전판은 캐소드 입출공(133a) 및 애노드 입출공(133b)과 대응되는 부분에 대응되는 크기로 구멍이 뚫려있고, 바람직하게는, 결합을 위해 가이드홈(190)과 대응되는 부분에 결합이 용이한 크기로 구멍이 뚫려있을 수 있다.
일 실시예에 따라, 복합 수소생산 스택은 양 측에 체결판(end plate)이 구비되고, 일 측에서부터 타 측까지 체결판; 집전판; 복합 전극 분리막; 집전판; 복합 전극 분리막; 집전판; 및 체결판의 순서로 적층되어 단위셀을 2로 포함하는 구조일 수 있다. 또한, 상기 구조를 반복하며 단위셀을 3 이상으로 포함시키는 구조를 제조할 수 있고 단위셀의 수는 사용목적에 따라 다양하게 조절될 수 있으며 특별하게 제한되지 않는다.
상기 복합 수소생산 스택에서의 각각의 구성품은 가이드 부재와 집전체의 대응되는 홈을 통하여 조립되어 체결되는 바, 복합 수소생산 스택의 조립을 용이하게 할 수 있다.
즉, 상기 구성을 만족하는 복합 수소생산 스택은 전극, 기액확산층, 및 분리판의 복수의 구성부품이 하나의 구성으로 통합되도록 구성되어 있는 수소생산용 복합 전극 분리막을 포함하므로, 복합 수소생산 스택에 적용되는 부품수를 감소시킴으로써 스택 조립을 간소화시킴은 물론, 스택 부피를 감축시킬 뿐만 아니라, 전해질 저항을 줄여 운전 전류밀도를 높일 수 있으므로 고효율 및 고전류의 운전이 가능한 장점이 있다.
뿐만 아니라, 상기 구성을 만족하는 복합 수소생산 스택은 자발적 전기화학 포텐셜이 형성되는 전기화학시스템으로써, 산소 농도 조절에 따른 셀 포텐셜 조절을 통해 필요에 따라 수소(H2)를 발생시킴으로써 다른 연료전지의 연료로 사용되어 복합 연료전지 시스템에 도입할 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 상기 복합 수소생산 스택 구동 시, 캐소드 입출공에 포함된 산소조절부가 산소의 양을 조절함으로써 수소가스와 전력생산을 함께 이뤄지게 하거나, 전력생산만을 이뤄지게 할 수 있다.
일례로서, 상기 산소조절부를 통해, 캐소드에 유입되는 반응물의 산소의 양을 줄임으로써 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 산소의 농도가 낮은 경우, 바람직하게는, 상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질에 용해된 산소의 농도가 12% 이하인 경우, 바람직하게는, 0% 초과 12% 이하인 경우, 상기 캐소드의 전자가 물(H2O)와 반응하여 수소(H2)를 발생시킬 수 있다. 즉, 전해질에 용해된 산소의 농도가 낮은 경우, 하기 [반응식 1]과 같이 반응이 일어날 수 있다.
[반응식 1]
2H20 + 2e- → H2 + 2OH-
결과적으로, 복합 수소생산 스택에 전력생산 및 수소생산이 필요할 경우, 산소조절부를 통해 투입되는 산소의 양을 줄이게 되면, 셀 포텐셜(cell potential)이 수소 생산을 위해 어느정도 감소할 수 있으나, 상기 반응식 1과 같은 반응이 캐소드에서 진행되어 수소생산 및 전력생산이 함께 이뤄질 수 있는 장점이 있다.
한편, 상기 산소조절부를 통해 캐소드에 유입되는 반응물의 산소의 양을 증가시킴으로써, 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 산소의 농도가 높은 경우, 바람직하게는, 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질의 산소의 농도가 12% 초과인 경우, 바람직하게는, 12% 초과 100% 미만인 경우, 캐소드의 전자가 물(H2O)과 산소(O2)와 반영하여 수산화이온(OH-)를 발생하는 산소환원반응이 발생할 수 있다. 즉, 전해질에 용해된 산소의 농도가 높은 경우, 하기 [반응식 2]과 같이 반응이 일어날 수 있다.
[반응식 2]
O2 + 2H20 + 4e- → 4OH-
결과적으로, 복합 수소생산 스택에 전력생산만 필요할 경우, 산소조절부를 통해 투입되는 산소의 양을 증가시키게 되면, 셀 포텐셜(cell potential)을 정상범위로 유지시킬 수 있으므로, 상기 반응식 2과 같은 반응이 캐소드부에서 진행되어 전력을 보다 효율적으로 생산할 수 있는 장점이 있다.
또한, 전극부에 포함된 애노드는, 암모니아(NH3)가 질소(N2)와 물(H20)로 산화 분해되는 암모니아 산화 반응(Ammonia Oxidation Reaction, AOR)이 일어날 수 있다.
애노드에서 이루어지는 암모니아 산화 반응은 다음의 [반응식 3]에 나타낸 바와 같을 수 있다.
[반응식 3]
2NH3 + 6OH- → N2 + 6H2O + 6e-
즉, 애노드에서 암모니아(NH3)는 수산화 이온(OH-)과 산화반응하여 질소(N2)와 물(H20)을 발생시키고 전자(e-)를 방출할 수 있다.
상기 멤브레인은 이의 한쪽 면은 양이온교환기를 가진 양이온 교환막을 갖고, 막의 반대측면은 음이온교환기를 가진 음이온 교환막이 결합된 것을 특징으로 하는 바이폴라막일 수 있다. 상기 바이폴라막에 전압이 걸리면 물이 해리됨에 따라 하기 반응식 4와 같은 반응이 진행된다.
[반응식 4]
H2O → H+ + OH-
즉, 막의 양단에 전압이 걸리면 막의 양쪽에서 각각 물이 해리되어 음이온 교환막 측에서는 OH- 이온이, 양이온 교환막 측에서는 H+ 이온이 발생할 수 있다. 이러한 특성을 가진 멤브레인을 캐소드 및 애노드 사이에 설치하면 캐소드와 애노드에서 생성되는 기체나 용액이 혼합되지 않고 차단되는 특징이 있을 뿐만 아니라, 양쪽 전해질의 pH를 유지시키는 장점이 있다. 또한, 멤브레인에 바이폴라막을 사용하게 되면 물해리 반응을 통해 수소발생 반응을 추가적으로 진행이 가능한 장점이 있다.
종래 전지의 경우 캐소드의 복합 전극 분리막 사이의 pH 차이에 의해 바이폴라막에 접합 포텐셜(junction potential)이 발생할 수 있다. 즉, 캐소드의 전해질의 pH를 중성으로 하고 애노드의 pH 를 알칼리성으로 설정할 때, 캐소드의 pH가 산성인 경우에 비하여 pH 차이에 의한 접합 포텐셜이 더 작게 발생할 수 있는 것으로 여겨져 왔다. 이에 따라, 접합 포텐셜이 작아야 스택 시스템이 자발적으로 구동할 수 있고 접합 포텐셜이 크면 스택 시스템이 자발적으로 구동하기 힘들 것으로 예측될 수 있었다.
이에 따라, 일 구현예에 따른 복합 수소생산 스택의 경우, 복합 전극 분리막의 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질의 pH를 중성으로, 애노드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질의 pH를 알칼리성으로 각각 특정 범위로 설정하여 접합 포텐셜을 더욱 효율적으로 줄일 수 있으므로, 자발적 반응이 발생하여 수소생산 시스템을 더 효율적으로 구동시킬 수 있는 장점이 있다.
구체적으로, 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질의 pH를 중성으로 하고 애노드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질의 pH를 알칼리성으로 설정한 경우, 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질에서의 pH와 애노드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질에서의 pH 사이의 차이는 대략 4 내지 9 정도, 구체적으로는 6 내지 9 정도일 수 있다. 예를 들어, 상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질에서의 pH는 pH 6 내지 8 이고, 상기 애노드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질에서의 pH는 pH 12 내지 15일 수 있다.
이에 따라, 일 구현예에 따른 복합 수소생산 스택은0V 내지 0.6V 범위의 셀 포텐셜에서 0 mA/cm2 초과 내지 100 mA/cm2 이하의 전류 밀도가 발생하는 자발적 반응이 진행될 수 있다.
종합하면, 일 구현예에 따른 복합 수소생산 스택은0V 내지 0.6V 범위의 셀 포텐셜에서 산소의 양에 따라 원하는 반응을 조절할 수 있다. 구체적으로, 전력생산만 필요할 경우, 산소조절부를 통해 투입되는 산소의 양을 증가시키게 되면, 셀 포텐셜(cell potential)을 정상범위로 유지시킬 수 있으므로, 상기 반응식 2과 같은 반응이 캐소드부에서 진행되어 전력을 보다 효율적으로 생산할 수 있는 장점이 있으며, 전력생산 및 수소생산이 필요할 경우, 산소조절부를 통해 투입되는 산소의 양을 줄이게 되면, 셀 포텐셜(cell potential)이 수소 생산을 위해 어느정도 감소할 수 있으나, 상기 반응식 1과 같은 반응이 캐소드에서 진행되어 수소생산 및 전력생산이 함께 이뤄질 수 있는 장점이 있다.
추가적으로, 일 구현예에 따른 복합 수소생산 스택은 수전해 반응을 통해 100 mA/cm2를 초과하는 전류밀도가 발생하는 비자발적 반응까지 진행이 가능한 장점이 있다.
또한, 또 다른 일 구현예에 따르면, 전술한 복합 수소생산 스택으로부터 배출된 수소를 공급받는 수소 연료전지를 포함하는 복합 발전 시스템을 추가적으로 제공할 수 있다.
상기 수소 연료전지는 수소와 산소의 화학반응에 의해 물이 생성됨과 아울러 전기에너지를 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 수소 연료전지는 고체 산화물연료전지(SOFC)일 수 있다.
종래, 수소 연료전지는 친환경적인 측면에서 많은 장점을 가지고 있지만, 메탄-수증기 개질에 의해 추출된 수소를 공급받아야 한다. 하지만, 또 다른 일 구현예에 따른 복합 발전시스템은 수소 연료전지와 복합 수소생산 스택이 하나의 시스템으로 구축됨으로써, 복합 수소생산 스택으로부터 발생하는 수소 가스를 연료로 공급받음으로써, 효율이 현저하게 향상될 수 있는 장점이 있다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1 : 복합 수소생산 스택 제조
체결판(엔드플레이트); 집전판; 복합 전극 분리막; 집전판; 복합 전극 분리막; 집전판; 및 체결판(엔드플레이트)의 순서로 적층한 복합 수소생산 스택을 제조하였다.
구체적으로, 복합전극 분리막은 분리부로 PTFE, EPDM, 복합 PP 등으로 제작되고, 분리부 상의 양면에 입출공과 유로를 포함하는 수송부를 CNC가공 또는 에칭을 통하여 설계한다. 상기 수송부 이외의 빈 공간인 반응부에는 애노드, 멤브레인, 및 캐소드가 차례로 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 애노드 및 캐소드는 전기화학적 도금, 스프레이 코팅, PVD 증착, 또는 수열합성법의 방법으로 형성시킬 수 있고, 애노드 및 캐소드는 백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 및 구리(Cu)로부터 선택되는 1종 이상의 금속촉매를 포함하였고, 멤브레인으로 바이폴라 멤브레인인 Fumasep-fbm-pk을 사용하였다.
이때, 캐소드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질로는 1M KHCO3 수용액을 사용하여 pH 7로 하고, 애노드 입출공에 유입되는 반응물에 포함된 전해질로서 1M NH3 수용액 및 5M KOH 수용액을 사용하여 pH 15로 하였다.
또한, 집전판은 티타늄 플레이트를 사용하였다.
실험예 1 : 투입되는 산소 농도 범위에 따른 복합 수소생산 스택 메커니즘 분석
실시예 1에 따라 복합 수소생산 스택을 제조한 뒤 투입되는 산소 농도가 미치는 영향을 평가하는 기법으로 개회로 전압 (Open Circuit Voltage; OCV)과 선형 주사 전위법 (Linear Sweep Voltammetry; LSV)을 이용하여 셀포텐셜을 측정한 결과를 도 3에 나타내었다. 구체적으로, 도 3는 실시예 1에 따른 복합 수소생산 스택의 셀포텐셜을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이를 참고하면, 산소의 농도가 12% 이하인 경우, 상기 캐소드부의 전자가 물(H2O)와 반응하여 수소(H2)를 발생시키는 반응이 발생하는 것을 확인할 수 있었고, 상기 캐소드부 내 제1 전해질에 용해된 산소의 농도가 12% 초과인 경우, 상기 캐소드부의 전자가 물(H2O)과 산소(O2)와 반영하여 수산화이온(OH-)를 발생시키는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 암모니아 산화 반응이 자발적으로 지속되어 전력이 효율적으로 생산될 수 있을 뿐만 아니라, 복합 수소생산 스택에 전력생산만 필요할 경우, 산소조절부를 통해 투입되는 산소의 양을 증가시키게 되면, 셀 포텐셜(cell potential)을 정상범위로 유지시킬 수 있으므로, 상기 반응식 2과 같은 반응이 캐소드부에서 진행되어 전력을 보다 효율적으로 생산할 수 있는 장점이 있으며, 복합 수소생산 스택에 전력생산 및 수소생산이 필요할 경우, 산소조절부를 통해 투입되는 산소의 양을 줄이게 되면, 셀 포텐셜(cell potential)이 수소 생산을 위해 어느정도 감소할 수 있으나, 상기 반응식 1과 같은 반응이 캐소드에서 진행되어 수소생산이 이뤄질 수 있다는 장점이 있다.
실험예 2 : 복합 수소생산 스택의 반응분석
실시예 1에 따라 복합 수소생산 스택을 제조한 뒤 셀 포텐셜에 따른 반응 상황을 분석하였다.
도 4는 실시예 1에 따른 복합 수소생산 스택의 셀포텐셜에 따른 전류밀도에 관한 그래프이다.
도 4를 참고하면, 0V 내지 0.6V 범위의 셀 포텐셜에서 0 mA/cm2 초과 내지 100 mA/cm2 이하의 전류 밀도가 발생하는 자발적 반응이 진행되고, 100 mA/cm2를 초과하는 전류밀도에서는 암모니아 수전해 반응이 진행된다는 점을 확인할 수 있었다.
한편, 도 5은 실시예 1에 따른 복합 수소생산 스택의 산소 첨가에 따른 반응을 분석한 그래프이다.
도 5을 참고하면, 초기 스택에서는 산소 존재에 따른 자발적 반응이 진행되고 스택 구동을 통해 암모니아 수전해 반응인 비자발적 반응이 진행되는 것을 확인할 수 있다. 그 다음, 산소 첨가(O2 purging) 후 다시 자발적 반응이 진행되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 일 구현예에 따른 복합 수소생산 스택은 산소의 양을 조절함으로써 수소가스와 전력생산을 함께 이뤄지게 하거나 전력생산만을 이뤄지게 할 수 있을 뿐만 아니라, 암모니아 수전해 반응을 통해 수소가스만을 생산시킬 수 있다.
110 : 분리부 130 : 수송부 150 : 반응부
Claims (15)
- 판(Plate) 형상을 갖는 분리부;
상기 상기 분리부의 양면에 형성되어, 반응물과 생성물이 유동하는 유로 및 반응물이 유입되고 생성물이 배출되는 입출공을 갖는 수송부;
상기 양면에 형성된 수송부 이외의 영역을 갖는 반응부; 및
상기 반응부에 위치하여, 캐소드와 애노드를 포함하는 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 전극 분리막. - 제1항에 있어서,
상기 전극부는
상기 캐소드와 애노드 사이에 멤브레인이 위치하는 것인 복합 전극 분리막. - 제1항에 있어서,
상기 입출공은 캐소드 입출공 및 애노드 입출공을 포함하는 것인 복합 전극 분리막. - 제3항에 있어서,
상기 캐소드 입출공은
수송부로 유입되는 반응물의 산소의 양을 조절하는 산소조절부;를 더 포함하는 것인 복합 전극 분리막. - 제1항에 있어서,
상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물의 수소이온농도는 pH 6 내지 8인 것인 복합 전극 분리막. - 제1항에 있어서,
상기 입출공에 유입되는 반응물의 수소이온농도는 pH 12 내지 15인 것인 복합 전극 분리막. - 제1항에 있어서,
상기 캐소드는
금속폼, 금속박막, 탄소페이퍼, 탄소섬유, 탄소펠트, 및 탄소 천으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 복합 전극 분리막. - 제1항에 있어서,
상기 애노드는
백금(Pt), 이리듐(Ir), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 및 구리(Cu)로부터 선택되는 1종 이상의 금속촉매를 포함하는 것인 복합 전극 분리막. - 제1항에 있어서,
상기 전극부는 비표면적이 5m2/g 내지 100m2/g이고, 기공 크기가 0.02㎛ 내지 12㎛인 것인 복합 전극 분리막. - 제1항의 복합 전극 분리막, 및 상기 전극 분리막 양면 상에 위치한 집전판을 포함하는 단위셀을 1 이상 포함하는 것인 복합 수소생산 스택.
- 제10항에 있어서,
상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물의 산소의 농도가 12% 이하인 경우,
상기 캐소드의 전자가 물(H2O)와 반응하여 수소(H2)를 생성물로 배출하는 것인 복합 수소생산 스택. - 제10항에 있어서,
상기 캐소드 입출공에 유입되는 반응물의 산소의 농도가 12% 초과인 경우,
상기 캐소드의 전자가 물(H2O)과 산소(O2)와 반응하여 수산화이온(OH-)를 발생시키는 것인 복합 수소생산 스택. - 제10항에 있어서,
상기 애노드에서 암모니아(NH3)와 수산화이온(OH-)이 산화되어,
상기 애노드 입출공에서 질소(N2)를 생성물로 배출하는 것인 복합 수소생산 스택. - 제10항에 있어서,
0V 내지 0.6V 범위의 셀 포텐셜에서 0 mA/cm2 초과 내지 100 mA/cm2 이하의 전류 밀도가 발생하는 자발적 반응이 진행되는 것인 복합 수소생산 스택. - 제10항에 있어서,
암모니아 수전해 반응을 통해 100 mA/cm2 를 초과하는 전류밀도를 나타내는 것인 복합 수소생산 스택.
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| CN202280036865.6A CN117396637A (zh) | 2021-05-17 | 2022-05-16 | 使用氨的制氢系统和使用氨的燃料电池 |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR100497761B1 (ko) | 2003-04-15 | 2005-06-29 | 고려제강 주식회사 | 알칼리형 연료전지 전극 |
-
2022
- 2022-05-03 KR KR1020220054983A patent/KR20230131747A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR100497761B1 (ko) | 2003-04-15 | 2005-06-29 | 고려제강 주식회사 | 알칼리형 연료전지 전극 |
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