KR20240004580A - 물로부터 수소와 산소를 생산하기 위한 물 전기분해 스택 - Google Patents

Abstract

물 전기분해 스택(0)은 물로부터 수소와 산소를 생산하는 데 사용되며, 셀 스택(1)을 형성하도록 배열된 다수의 PEM 설계의 전기분해 셀(2)을 갖는다. 셀 스택(1)에는 물을 공급하기 위한 제1 채널, 물 및 생성 가스 산소를 제거하기 위한 제2 채널, 그리고 생성 가스 수소를 제거하기 위한 제3 채널이 관통되어 있다. 전기분해 셀(2)은 촉매로 코팅된 양성자 교환막을 가지며, 이는 수소 측 밀봉 프레임을 통해 양극판에 인접하고, 양극판의 후면은 차례로 산소 측에서 인접한 셀의 막에 대해 지지된다. 양극판은 소결된 구성요소로 설계되었으며 평면 금속판을 가지고, 그 위에 중앙 리세스에 채널 형성 요소를 수용하는 금속 프레임이 배치되며, 그 위에 중앙 리세스와 다공성 수송층이 내부에 통합되는 제2 금속 프레임이 배치된다. 채널 형성 요소의 채널은 셀 스택의 제1 채널과 제2 채널을 연결한다.

Description

물로부터 수소와 산소를 생산하기 위한 물 전기분해 스택

본 발명은 물로부터 수소와 산소를 생산하기 위한 물 전기분해 스택에 관한 것으로, 이는 셀 스택을 형성하도록 배열된 PEM 디자인의 다수의 전기분해 셀로 구성된다.

이러한 유형의 전기분해 스택은 선행 기술에 속하며 재생 가능한 전기로부터 "녹색 수소"를 생산하는 데 점점 더 많이 사용되고 있다. 이 유형의 스택은 대부분 두 개의 엔드 플레이트 사이에 기계적으로 고정되어 있고 스택 측면 근처에는 이러한 스택 측면을 관통하는 채널이 있으며, 이 채널은 반응수와 냉각수를 PEM 전기분해 셀에 공급하고 한쪽에서는 생성 가스 산소와 냉각수를 제거하며 다른 쪽에서는 생성 가스 수소를 제거하는 데 사용된다. 셀 스택 내부의 수소 제거는 상대적으로 문제가 없지만, 한편으로는 만족스러운 양으로 전기분해 전지의 반응물로서 물을 공급하며 다른 한편으로는 냉각수로서 물을 공급 및 제거하기 위한 물 공급은 기술적으로 더 까다롭다.

전기분해 셀에 티타늄 팽창 금속, 티타늄 펠트 또는 소결 티타늄 분말로 구성된 다공성 수송층을 제공하는 것은 선행 기술에 속한다. 이러한 수송층에 공정 매체(process media)를 공급하거나 제거하려면 운송 채널이 필요하며, 높은 전력 밀도의 경우에 셀의 만족스러운 공급을 보장하기 위해 운송 채널은 수송층의 후면에 제공되어야 한다. 또한, 스탬핑된 채널을 갖는 양극판을 사용하는 것은 선행 기술에 속하며, 이를 통해 스택을 관통하는 측면 채널을 통해 운반되는 물이 충분한 양으로 PEM까지 올라갈 수 있으며 PEM에서 다시 제거될 수 있다. 대안적으로, 이들 채널은 수송층과 평면 양극판 사이에 확장된 금속을 삽입함으로써 형성된다. 두 변형은 모두 단점을 가지고 있다. 채널이 양극판에 스탬핑된 경우, 이러한 채널은 수송층을 향해 열려 있으며 동일하게 연결되어야 한다. 낮은 작동 압력으로 작동되는 전해조의 경우에는 대부분 문제가 없지만, 대조적으로 작동 압력이 증가하면 예를 들어, 다공판과 같은 지지 구성 요소를 삽입해야만 다공성 수송층이 채널 안으로 밀리지 않게 된다. 이러한 유형의 지지 구성 요소는 전체 크기와 비용을 증가시킨다.

이 정도는, 확장된 금속이 수송층과 평면 양극판 사이에 삽입되는 변형이 더 유리하다. 그러나 확장된 금속의 구조로 인해 금속 단면이 생성되며, 이는 관통 흐름 방향 내부에 가로로 놓여 있으며 관통 흐름 동안 추가 장벽을 형성한다. 이는 팽창된 금속이 스택 내부에서 강하게 압축되는 경우 특히 문제가 된다. 그러면 다층 버팀목이 필요한 경우가 많으며, 이는 개별 전기분해 셀의 두께를 증가시켜 셀 스택의 두께를 증가시키고 나아가 생산 비용을 증가시킨다.

이러한 배경에서, 본 발명은 구조와 관련하여 앞서 언급한 유형의 물 전기분해 스택을 단순화하고 개선하는 목적, 특히 앞서 언급한 문제를 방지하는 목적에 기초한다.

이 목적은 청구항 1에 명시된 특징을 갖는 물 전기분해 스택에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 실시예는 종속항, 다음의 설명 및 도면에 명시되어 있다.

물로부터 수소와 산소를 생산하기 위한 본 발명에 따른 물 전기분해 스택은 고분자 전해질막 디자인의 다수의 전기분해 셀을 가지며, 이들은 셀 스택을 형성하도록 배열된다. 셀 스택을 관통하는 적어도 하나의 제1 채널이 전기분해 셀에 물을 공급하기 위해 제공되고, 셀 스택을 관통하는 적어도 하나의 제2 채널이 잉여수/냉각수 제거 및 산소 제거를 위해 제공된다. 또한, 셀 스택을 관통하는 적어도 하나의 제3 채널이 수소 제거를 위해 제공된다. 전기분해 셀은 적어도 하나 이상의 소결된 구성요소로 형성되는 양극판을 갖는다. 이 소결된 구성요소는 평면 금속판을 사용하여 제작되고, 그 위에는 중앙 리세스에 채널 형성 요소가 있는 제1 금속 프레임이 배열되어 있으며, 이 요소는 이 금속 프레임에 통합되어 있다. 제2 금속 프레임은 제1 금속 프레임 상에 배치되며, 제2 금속 프레임은 중앙 리세스에 통합된 다공성 수송층을 갖는다. 채널 형성 요소는 이 경우 셀 스택을 관통하는 채널 중 제1 채널과 제2 채널을 라인으로 연결하도록 배열된다.

물 전기분해 스택의 기본 구조는 일반적으로 셀 스택을 관통하여 물을 공급하는 제1 채널을 포함하며, 일반적으로 반대편에 배치되고 마찬가지로 전지 스택을 관통하며 잉여수/냉각수를 제거하기 위해 제공되며 이를 통해 전기화학 반응 중에 생성된 산소가 제거되는 제2 채널도 포함한다. 전지 스택을 관통하는 제3 채널은 마찬가지로 물 전기분해 스택의 나머지 측면에 가깝게 배열된 2개의 대향 채널에 의해 쌍으로 형성될 수 있지만, 단일 채널 또는 인접한 채널에 의해서도 형성될 수도 있다. 이 채널은 전기화학 반응 중에 생성된 수소를 제거하는 데 사용된다.

본 발명에 따른 물 전기분해 스택의 양극판은 적어도 하나의 소결된 구성요소로부터 형성되며, 유리하게는 양극판은 바람직하게는 티타늄 또는 티타늄 합금으로 구성되는 단 하나의 소결된 구성요소로 형성된다. 이 경우, 양극판의 구조는 매우 재료를 절약하고 효과적이며, 전체 높이도 비교적 작다.

평면 금속판과 다공성 운반층이 통합된 추가 프레임 사이의 금속 프레임에 배열된 채널 형성 요소는 전기분해 전지의 산소 측 공급 및 제거를 위해 제공된다. 멤브레인에 대한 매우 효과적인 반응물/냉각수 공급과 멤브레인으로부터의 냉각수 제거 및 산소 제거는 채널 형성 요소를 통해 보장되며, 이것은 스택의 제1 채널과 제1 채널을 서로 연결하는 다수의 채널을 가지고 있다. 양극판의 채널 형성 요소가 프레임에 통합됨에 따라, 예를 들어 80bar의 높은 작동 압력으로 물 전기분해 스택을 작동하는 경우에도 상대적으로 낮은 압력만 수용하면 된다. 특히, 양극판 전체가 물결 모양으로 성형되는 경우와 같이, 압력을 지지하는 구성 요소로서 압력 장비에 대한 지침의 적용을 받지 않는다. 이러한 이유로 채널 형성 요소에는 얇은 두께의 재료를 사용할 수 있다. 크고 투명한 통과 흐름 단면이 생성되며, 이는 특히 물이 포함된 스택의 통과 흐름에 유리하다. 수소 측에서도 적절한 수소 제거가 이루어지겠지만, 이는 구성하기가 훨씬 더 쉬우며, 그곳에서 압력이 형성되고 작은 흐름 단면적만 필요한 기체 수소이기 때문이다.

본 발명에 따른 소결된 구성요소는 평면 금속판과, 상기 평면 금속판에 배치되는 제1 금속 프레임으로서 상기 제1 금속 프레임에 통합되는 채널 구성 요소를 구비하는 제1 금속프레임, 및 상기 제1 금속 프레임 상에 배치되는 제2 금속 프레임으로서 상기 제2 금속 프레임에 통합되는 다공성 수송층을 구비하는 제2 금속 프레임으로 구성된다. 이 디자인은 결정적인 것으로 이해되어서는 안 되며, 오히려 이 소결된 구성요소에 대해 적어도 본 발명에 따라 존재하는 구성요소를 나타낸다. 개별 구성요소는 일반적으로 모두 티타늄으로 형성되며, 견고한 방식으로 생산되거나 또는 일체형의 소결된 구성요소를 형성하여 양극판을 형성하기 위해 예를 들어 MIM 사출 성형에서 녹색 부품 또는 갈색 부품으로 조립된 후 예를 들어 세라믹 판 사이에서 소결된다.

본 발명에 따르면 양극판의 산소 측에 제공된 채널 형성 요소는 프로파일 시트, 일반적으로 주름진 시트로 형성되거나 또는 채널이 관통하는 다공성 수송층으로 형성될 수 있다. 프로파일 시트는 본질적으로 흐름 전달 기능을 갖고 있기 때문에, 채널에서 큰 흐름 단면을 실현할 수 있다. 단면이 사인 곡선으로 진행될 필요는 없으며, 오히려 사각파나 둥글게 한 사각파가 형성되는 것이 바람직하며, 이는 통과 용량과 관련하여 유리하다. 유리하게는, 산소 측에 있는 이러한 채널 형성 요소의 주름진 시트는 파동 간격이 2mm보다 작고, 바람직하게는 1.5mm보다 작으며, 특히 바람직한 설계에서는 1.0mm보다 작도록 구성된다. 따라서, 비교적 좁은 높이의 채널이 실현될 수 있으며, 이는 유리하다.

채널 형성 요소가 다공성 수송층으로 형성되는 경우에는, 이것은 채널이 수송층에 완전히 통합되도록 구성되거나 또는 채널이 적어도 한쪽으로 개방되게 형성되도록 구성될 수 있다. 후자의 경우, 채널이 평면 금속판에 의해 폐쇄되도록 구성하는 것이 유리하다. 이러한 방식으로, 비교적 얇은 수송층에 대해 큰 채널 단면을 얻을 수 있다. 채널은 녹색 부분의 사출 성형 시 대응하는 로드를 삽입하고, 로드가 열적으로 또는 화학적으로 용해되는 방식으로 형성되거나, 또는 수송층의 표면에 스탬핑하는 방식으로 형성될 수 있다.

이 경우, 본 발명에 따르면, 가능한 최소의 관통 흐름 저항을 달성하기 위해, 채널 형성 요소의 채널을 가능한 한 직선이고 서로 평행하게 배열하는 것이 유리하다. 하지만, 물결 모양의 선 모양으로 채널을 배열하고 유리하게는 이러한 방식으로 서로 평행하게 오프셋되는 것이 배리어-프리 통로를 유지하더라도 부품의 정적 지지 기능이 증가하는데 유리할 수 있다. 그런 다음 채널은 바람직하게는 직선형의 깨끗한 통로를 갖도록 형성되지만, 측벽은 이러한 지지 기능을 달성하기 위해 물결 모양으로 구성된다.

본 발명의 의미에서, 배리어-프리란 흐름에서 난류를 유발하는 충격체, 일반적으로 흐름 방향에 대해 가로로 또는 비스듬한 각도로 배열된 장애물이 채널 내부에 존재하지 않는다는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 예를 들어 정현파 형태로 바디를 통과하거나 또는 공간에서 파동 방식으로 진행한다면 물결 모양으로 흐르는 채널은 배리어-프리일 수 있다.

기본적으로, 채널 형성 요소는 물을 공급하거나 물을 제거하고 산소를 제거하기 위해 요소의 단부가 전지 스택을 관통하는 제1 채널 또는 제2 채널로 개방되도록 제1 금속 프레임에 배열 및 형성될 수 있다. 그러나 스택을 고압에서 작동할 때에는, 지지를 위해, 수직 채널 사이에 이러한 채널 형성 요소를 연속적으로 형성하지 않고, 오히려 예를 들어 스탬핑으로, 양쪽의 금속 프레임에 상응하는 채널을 제공하는 것이 유리할 수 있으며, 이것은 바람직하게는 채널 형성 요소의 채널과 같은 높이에 놓이고 스택을 관통하는 제1 또는 제2 채널에 라인 연결된다. 그러한 설계 중 하나는 더 높은 안정성을 갖거나 또는 더 작은 지지 하중을 위해 채널 형성 요소를 배치하는 것을 가능하게 한다.

양극판을 통해 전기분해 셀의 수소 운반 측으로부터 수소 제거가 가능하도록 하기 위해서는, 본 발명의 개발에 따르면, 예를 들어 스탬핑에 의해 제1 금속 프레임에 형성된 채널로 개방되고 수소 제거를 위해 셀 스택을 관통하는 제3 채널로 연결되는 리세스 또는 구멍을 갖는 평면 금속판을 제공하는 것이 유리하다. 이들 채널은 한쪽 면이 개방될 수 있고, 소결 후에, 그 위에 배열된 제2 금속 프레임에 의해 덮이고 이에 의해 폐쇄될 수 있다. 평면 금속판의 리세스는 유리하게는 생성물 가스 수소의 만족스러운 통과를 보장하는 인접한 구멍들이 줄을 이루어 구성된다.

전기분해 셀의 수소 측 소결된 구성요소의 평면 금속판의 리세스에 대한 적절한 제거를 보장하기 위해, 평면 금속판으로 이루어진 양극판의 측면에 프레임을 마련하는 것이 유리하며, 이 프레임은 밀봉 방식으로 이 측면을 지지하고 중앙 리세스가 있으며, 추가 채널 형성 요소가 배열되어 있고, 채널들은 평면 금속판의 리세스에 라인 연결되어 있다. 동시에, 이 프레임은 유리하게는 양극판과 PEM 사이에 밀봉 요소를 형성하며, 어느 한 면은 양극판을 향하고 다른 한 면은 PEM을 향하는 주변 밀봉부를 구비한다. 밀봉부는 스택을 관통하는 채널을 형성하는 리세스 주위를 지나가고, 또한 전기분해 셀의 활성 부분을 형성하는 중앙 리세스 주위로 움직이도록 배열된다.

전기분해 셀의 수소 측에 배치되는 이러한 추가 채널 형성 요소는 유리하게는 질서정연하거나 또는 무질서한 탄소 섬유로 구성되는 가스 확산층으로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 탄소섬유가 여기에 배열되어 펠트 같은 니트 원단을 형성하기 위해 연결되는 것이 바람직하다.

대안적으로, 이 채널 형성 요소는 주름진 시트 또는 확장된 금속으로 형성될 수도 있다. 수소 측에서, 일반적으로, 수소는 압력 구동 방식으로 스택 내에서 미리 결정된 경로를 찾기 때문에, 배리어-프리 채널 라우팅이 필요하지 않다.

하나 또는 그 이상의 리세스를 갖는 지지 플레이트에 의해 지지될 수 있는 가스 확산층은 수소 측의 채널 형성 요소로도 사용될 수 있다. 이 지지 플레이트는 프레임과 일체형으로 형성될 수 있으며, 판금으로 구성된 프레임의 재료가 중앙 리세스 영역에서 압착되고, 가스 확산층에 필요한 공간이 형성되도록 한다.

산소 측의 양성자 교환막(PEM)의 전체 표면에 걸쳐 사실상 균일한 물 공급을 보장하기 위하여, 소결된 구성요소의 한 면을 덮는 미세다공성 층을 제공하는 것이 유리하며, 특히 미세다공성 층이 제2 프레임까지 도달하는 정도의 것이 유리하다. 채널 형성 요소 또는 프레임 내부의 가스 확산층 사이의 간격이 가려지고 따라서 반응물의 완전히 균일한 공급이 멤브레인 표면에서 발생하기 때문에, 이 영역까지 미세다공성 층을 신장시키는 것이 특히 유리하다.

이러한 유형의 미세다공성 층은 유리하게는 개별 구성 요소, 예를 들어 필름으로 또는 필름의 녹색 부분이나 갈색 부분으로 생성되어 나머지 구성 요소, 특히 제2 프레임과 리세스에 통합된 구성요소 위에 배치되며, 소결에 의해 나머지 구성요소에 연결되어 소결된 구성요소를 형성한다. 대안적으로 미세다공성 층은 또한 스크린 인쇄 또는 스텐실 인쇄에 의해 구성요소에 적용될 수 있으며 이후 동일하게 소결된다.

양극판은 제2 프레임과 그 안에 통합된 다공성 수송층, 그리고 여기에 적용된 미세다공성 층을 통해 양성자 교환막의 산소 측을 지지한다.

각 전기분해 셀은 양극판, 밀봉 프레임 및 촉매 코팅된 양성자 교환막(PEM)으로 구성된다. 셀은 서로 적층되어 양극판이 두 개의 인접한 전기분해 셀의 일부가 된다. 이 전기분해 셀 스택은 기계적으로 서로 고정되어 있는 두 개의 엔드 플레이트 사이에 고정되어 있다.

유리하게는, 중앙 리세스에 앞에서 설명된 채널 형성 요소를 포함하는 제1 금속 프레임의 두께는 1mm보다 얇고, 바람직하게는 0.8mm보다 얇으며, 특히 유리하게는 심지어 0.6mm보다 얇다. 이는 스택의 전체 높이 및 생산에 필요한 재료 비용을 감소시킨다.

특히 매우 얇은 층 두께의 경우, 다공성 수송층의 고유한 안정성은 소결 전에 항상 보장되는 것은 아니지만, 이는 구성요소를 취급할 때 편리하며, 다공성 수송층은 본 발명의 개발에 따라 섬유로, 바람직하게는 합성 섬유로, 특히 바람직하게는 폴리에틸렌 섬유로 강화된 공급원료의 도움으로 생산될 수 있다. 이러한 섬유는 녹색 부분에서 갈색 부분으로 가는 과정에서 제거되며, 늦어도 소결 과정에서 제거된다.

소결된 구성요소의 채널 형성 요소에 제공된 채널은 셀 스택을 관통하는 해당 채널까지 도달할 수 있거나 또는, 압력 지지 능력과 관련하여 유리할 수 있게, 제1 프레임에서 대응하는 채널 형태의 리세스에 의해 형성된 채널에 의해 중앙 리세스와 셀 스택을 관통하는 채널 사이의 영역에서 연결될 수 있다. 이러한 리세스는 간단한 스탬핑에 의해 저렴하게 생산될 수 있으며, 이 과정에서 특정한 중첩이 배열되어 셀 스택을 관통하는 채널에 대한 라인 연결이 발생한다.

물로부터 수소와 산소를 생산하기 위한 물 전기분해 스택의 구조를 단순화하고 개선하여, 개별 전기분해 셀 및 셀 스택의 두께를 감소시킬 수 있으며, 나아가 생산 비용을 감소시킬 수 있다.

본 발명은 이하의 도면에 도시된 예시적인 실시예를 기초로 하여 이하에서 더 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 물 전기분해 스택을 매우 단순화하여 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 스택의 개별 전기분해 셀을 매우 단순하게 분해하여 도시한 분해도이다.
도 3은 소결된 구성요소로 형성된 양극판 구조의 제1 실시예를 도시한 분해도이다.
도 4는 도 2에 따른 구성요소를 통해 조립된 형태로 도시한 부분 단면 사시도이다.
도 5는 도 4에 따른 구성요소에 대응하는 부분 단면도이다.
도 6은 도 5에 따른 실시예의 대안적인 설계를 도시한 도면이다.
도 6a는 도 6에 따른 단면도를 비스듬하게 이어지는 단면선으로 도시한 단면도이다.
도 7은 도 5에 따른 실시예의 추가적인 변형 설계를 도시한 도면이다.
도 8은 도 5에 따른 실시예의 대안적인 변형 설계를 도시한 도면이다.

전기분해 스택의 기본 구조는 종래 기술에 속하고, WO 2019/228616에 자세히 설명되어 있으며, 이를 참조한다. 따라서 도 1에 도시된 바와 같이 전기분해 스택(0)은 다수의 전기분해 셀(2)로 구성되며, 이는 스택(1)을 형성하기 위해 서로의 위에 배열되고 두 개의 엔드 플레이트(3) 사이에 고정되며 전기적으로 직렬로 연결된다. 전기 연결부(4, 5)는 스택(0)의 측면에서 나온다. 셀(2)의 공급은 셀 스택(1)을 관통하는 채널(6, 7, 8), 즉 반응수 및 냉각수를 공급하기 위한 제1 채널(6) 및 냉각수와 생성가스 산소를 제거하기 위한 제2 채널(7)을 통해 발생한다. 이들 제1 채널(6) 및 제2 채널(7)은 셀 스택(1)의 장변에 서로 대향하여 평행하게 배열된다. 또한, 전지 스택(1)의 횡측에는 3개의 제3 채널(8)이 제공되며, 이는 스택(1)을 관통하며 생성 가스인 수소를 제거하는 데 사용된다. 스택(0)이 도시된 실시예에서, 셀 스택(1)은 절연 플레이트(3)의 통합으로 하부 엔드 플레이트(9)와 상부 엔드 플레이트(10) 사이에 고정되며, 각 경우 디스크 스프링 스택(12)의 통합으로 10개의 볼트(11)에 의해 고정된다. 이 경우, 채널(6, 7, 8)은 상부 엔드 플레이트(10)의 채널 연결부로 인출되며, 도면에서 채널 연결부(13, 14)는 제1 채널(6) 및 제2 채널(7)을 연결하기 위해 제공되는 반면, 채널 연결부(15)는 제3 채널(8)에 연결되고 생성 가스 수소를 제거하는 데 사용된다.

전기분해 셀(2)은 밀봉 프레임(17)이 지지하는 수소 측에 대해 촉매 코팅된 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM, 16) -막 전극 조립체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라고도 함- 을 가지며, 밀봉 프레임(17)은 셀(2)의 활성 부분, 즉 셀의 측면에 배열된 채널(6, 7, 8)과 외부로 향하는 채널(6, 7, 8) 자체에 대해 막(16)을 밀봉한다. 수소 측, 즉 생성물 가스 수소가 방출되는 측면에서 PEM(16)을 지지하는 이 밀봉 프레임(17)에는 마찬가지로 PEM(16)의 반대쪽을 향하는 측면에 밀봉부(18)가 제공되며, 티타늄으로 만든 소결된 구성요소로 설계되었으며 그 구조도 다음에 설명되어 있는 양극판(19)에 대해 지지한다. 다음 양극판(19)의 다른 측면은 PEM(16)의 다른 측면, 즉 산소가 생성 가스로서 방출되고 물이 반응물로 도입되면서 또한 냉각을 위해 물이 빠르게 흐르는 쪽과 맞닿아 있으며, 이는 이러한 유형의 스택에서 일반적이다. 전류는 엔드 플레이트(4, 9, 10) 사이의 전기 연결부(4, 5)를 통해 공급된다.

도 2 및 도 3을 참조하면 도시된 양극판(19)의 구조에 있어서, 양극판은 티타늄으로 이루어진 평면 금속판(20)을 가지는데, 이것은 직사각형 모양을 가지고 스택(0)을 조립하기 위한 가이드 바용 리세스(21)가 모서리에 제공되며, 또한 긴 측면에는 셀 스택(1)의 제1 채널(6) 및 제2 채널(7)을 형성하는 리세스가 제공되고, 또한 짧은 측면에는 셀 스택(1)의 제3 채널(8)을 형성하는 세 개의 리세스가 제공되며, 여기서는 세 개의 부분 채널로 형성된다. 제3 채널(8)을 위한 리세스와 평행하게 리세스(22)가 반대쪽에 제공되며, 이는 질소 공급을 위해 제공되고, 이를 사용하여 스택(0)이 작동을 중단하기 전에 플러시된다.

양극판(19)은 소결된 구성요소로 설계되고 도 3에 도시된 부품으로 구성되며 각각의 경우 티타늄으로 구성된다. 이러한 양극판(19)의 일측은 평면 금속판(20)으로 형성되며, 그 반대쪽은 중앙 리세스(24)와 추가적으로 제1 플레이트(20)의 채널과 동일한 크기의 채널(6, 7, 8)을 형성하는 리세스와 가이드 바용 리세스 및 질소 채널용 리세스를 가지는 제1 금속 프레임 구성요소(23)와 접촉하게 된다. 중앙 리세스(24)는 채널이 형성된 제1 금속 프레임 구성요소(23)의 리세스(24)에 배치되어 제1 채널(6) 및 제2 채널(7) 사이를 연결하는 주름진 시트(25)를 통합하기 위해 제공된다. 그러나 채널은 제1 채널(6) 및 제2 채널(7)로 직접 열리지 않으며, 오히려 제1 금속 프레임 구성요소(23)의 중앙 리세스(24)와 스택을 관통하는 제1 채널(6) 및 제2 채널(7)용 리세스 사이에 각인에 의해 형성되는 중간 채널(26, 27)로 들어간다.

또한, 이 제1 프레임 구성요소(23)는 가로 방향으로 채널 형성 각인(28)을 가지며, 이는 실질적으로 중앙 리세스(24)의 좁은 측면으로부터 제3 채널(8)의 경계를 정하는 리세스까지 연장된다. 이러한 리세스들을 통해, 평판(20)의 리세스(29)를 통해 전달되는 수소는 수소 제거를 위해 제3 채널(8)로 안내된다. 중간 채널(26, 27) 및 채널 형성 각인(28)에 의해 형성된 채널은 제1 금속 프레임 구성요소(23)의 각인에 의해 또는 리세스에 의해 형성될 수 있으며, 이는 빗살 모양으로 배열되어 한편으로는 필요한 라인 연결을 형성하고 다른 한편으로는 물질적으로 연결된 상태를 유지하도록 배열해야 하며, 이는 채널(6, 7)에 대응하는 중첩을 통해 달성할 수 있다.

이 제1 프레임 구성요소(23)는 마찬가지로 플러시 채널 리세스 및 가이드 바용 리세스를 가지며 또한 티타늄 섬유로 구성되어 있는 다공성 수송층(Porous Transport Layer, PTL, 32)이 통합되는 중앙 리세스(31)를 가지는 제2 금속 프레임 구성요소(30)에 의해 인접된다. 이 층(32)은 섬유 강화 공급원료로 형성된다. 이러한 투과성 수송층(32) 및 리세스(31)의 가장자리는 마찬가지로 티타늄으로 형성된 미세다공성 수송층(Micro Porous Layer, MPL, 33)으로 덮여 있다. 후기 양극판(19)을 형성하는 이들 구성요소(20, 23, 25, 30, 32, 33)는 서로 포개어져 소결되어 티타늄으로 이루어진 일체형 구성요소(19)가 생성되며, 그 중 한 측면, 즉 산소 측이 PEM(16)을 지지하고 다른 한 측면은 밀봉 프레임(17)을 통해 후속 PEM(16)을 지지한다. PEM(16)을 보호하기 위해 양극판(19)은 PEM(16)에 직접적으로 지지되지 않고 오히려 보호필름(34)에 의해 분리되며, 이는 마찬가지로 중앙 리세스(35), 대응하는 채널 형성 리세스 및 가이드 바용 리세스를 가지며 따라서 전기분해 셀의 활성 영역 외부에서만 효과적이다.

이 밀봉 프레임(17)은 셀의 활성 부분, 즉 금속 프레임 구성요소(23)에 제공된 중앙 리세스(24)와 같은 높이에 있는 지지 플레이트(36)를 가지며, 이 지지 플레이트는 프레임 자체의 재료로 형성되고 막(16)으로부터 수소를 제거하기 위해 폐쇄되거나 천공된 방식으로 형성될 수 있다. 이 지지 플레이트(36)는 양성자 교환막(PEM, 16)에 직접적으로 지지되지 않고 오히려 탄소 섬유로 형성된 가스 확산층(Gas Diffusion Layer(GDL), 38)이 개재되어 있다. 제3 채널(8)을 위한 리세스에 가깝게, 이 지지 플레이트는 종방향 슬롯(37)을 가지며, 이는 양극판 구성요소의 평판(20)의 리세스(29)와 같은 높이로 놓이고 이를 통해 수소 제거가 일어난다.

도 4 및 도 5를 참조하여 도시된 실시예에서, 주름진 시트(25)는 단면이 다소 사인파형으로 형성되고 단면의 파고에 비해 뚜렷한 파동 간격을 갖는다. 이는 완전히 다르게 구성될 수도 있지만, 도 6에 따른 단면도에 따르면, 여기서는 파동 간격이 파고보다 아주 약간 더 크다. 이 굽은 형태는 사각파 방향으로 벗어나서 특히 잘 흐를 수 있는 단면을 생성할 수 있다.

주름진 시트(25)와 유사한 주름진 시트(44, 도 6 및 도 6a 참조) 또는 확장된 금속(43, 도 4 및 도 5 참조)도 밀봉 프레임(17)에 통합될 수 있으며, 이는 전기분해 셀(2)의 활성 부분 내에서 힘을 고르게 분배하기 위해, 채널 형성 외에 특히 스프링 작용도 가져야 한다.

수소 측면에서, 부식 요구 사항은 산소 측면보다 낮으며, 이것이 바로 금속 밀봉 시트(17) 및 아마도 또한 이 측면에 위치한 확장된 금속(43) 또는 주름진 시트(44)가 반드시 티타늄으로 제조될 필요는 없고, 대신에 부식 방지 코팅이 된 고급 강철로 제조될 수 있는 이유이다.

주름진 시트 대신에 양극판을 형성하는 소결된 구성요소(19)의 채널 형성 요소에 대하여, 이는 또한 제2 프레임 구성요소(30)의 PTL(32) 및 제1 프레임 구성요소(23)의 주름진 시트(25)를 대체하는 다공성 수송층(39)에 대응하는 채널을 스탬핑함으로써 형성될 수 있다. 이 PTL(39)은 평면 금속판(20)을 향해 개방된 채널(40)을 가지며, 이는 PTL(39)의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 연장되며 서로 평행하게 배열된다. 소결 후에 단부에서만 여전히 개방되어 있는 소결된 구성요소(19)의 이들 채널은, 평면 금속판(20) 또는 그에 의해 형성된 소결 재료에 의해 이 한쪽 측면에서 폐쇄된다.

도 8은 도 7의 PTL(39)의 경우와 유사한 방식으로 채널(41)이 다공성 수송층(PTL, 42)을 관통하는 설계 변형을 도시하는데, 그러나 채널(41)은 다공성 수송층(PTL, 42) 내부에 완전히 놓이고 끝에서만 개방된다.

도 7 및 도 8을 참조하여 도시된 설계 변형에서, 제1 프레임 구성요소(23)의 중앙 리세스(24)는 스택을 관통하는 제1 채널(6) 및 제2 채널(7)용 리세스 사이에 연속적으로 제공된다. 여기서, 리세스(24)에 통합되고 제1 채널(6) 및 제2 채널(7) 사이의 채널 이송에 사용되는 채널 형성 요소로서 주름진 시트(25)가 제공되지 않으며, 오히려 채널(40, 41)에 의해 관통되는 다공성 수송층(39 또는 42) 형태의 채널 형성 요소가 제공된다. 채널은 일측, 즉 평판(20)을 향해 개방되어 있고 이에 의해 폐쇄된다. 그 결과, 비교적 큰 채널 단면을 형성할 수 있고, 더욱이, 이들 채널(40, 41)은 다공성 수송층(39, 42)에 통합되어 있기 때문에 수송 채널을 향해 항상 투과성이 있으며, 즉, 채널(40, 41)이 특정한 안내 특성을 가지더라도 첫 번째 설계 변형의 채널 형성 주름진 시트(25)의 경우와 같이 유체가 새지 않는 채널 벽을 갖지 않는다.

0: 전기분해 스택
1: 셀 스택
2: 전기분해 셀
3: 절연 플레이트
4: 전기 연결부
5: 전기 연결부
6: 물 공급을 위한 제1 채널
7: 물과 산소 제거를 위한 제2 채널
8: 수소 제거를 위한 제3 채널
9: 하부 엔드 플레이트
10: 상부 엔드 플레이트
11: 볼트
12: 디스크 스프링 스택
13: 물 공급을 위한 채널 연결부
14: 물 제거 및 산소 제거를 위한 채널 연결부
15: 수소 제거를 위한 채널 연결부
16: 양성자 교환막(Proton exchange membrane, PEM), 또는 막 전극 조립체(Membrane Electrode Assembly, MEA)로도 지칭됨
17: 밀봉 프레임
18: 밀봉부
19: 양극판, 소결된 구성요소
20: 평면 금속판
21: 정렬 핀용 리세스
22: 질소 플러싱을 위한 리세스
23: 제1 금속 프레임 구성요소
24: 23의 중앙 리세스
25: 주름진 시트
26: 물을 위한 중간 채널
27: 물과 산소를 위한 중간 채널
28: 채널 형성 각인(impression)
29: 수소를 위한 20의 리세스
30: 제2 금속 프레임 구성요소
31: 30의 중앙 리세스
32: 다공성 수송층(Porous Transport Layer, PTL)
33: 미세다공성 수송층(Microporous Transport Layer, MTL), 또는 미세다공성 층(MicroPorous Layer, MPL )으로도 지칭됨
34: 보호 필름
35: 보호 필름의 중앙 리세스
36: 밀봉 프레임의 지지 플레이트
37: 슬롯
38: 가스 확산층(Gas diffusion layer, GDL)
39: 도 7의 다공성 수송층(PTL)
40: 도 7의 채널
41: 도 8의 채널
42: 도 8의 다공성 수송층(PTL)
43: 수소 측의 확장된 금속
44: 수소 측의 주름진 시트

Claims (20)

1. 물로부터 수소와 산소를 생산하기 위한 물 전기분해 스택(0)으로서, 셀 스택(1)을 형성하도록 배열된 다수의 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane, PEM) 설계의 전기분해 셀(2)을 포함하며, 상기 셀 스택(1)은, 물을 공급하기 위해, 상기 셀 스택(1)을 관통하는 적어도 하나의 제1 채널(6)을 구비하고, 산소 및 물을 제거하기 위해, 상기 셀 스택(1)을 관통하는 적어도 하나의 제2 채널(7)을 구비하며, 수소를 제거하기 위해, 상기 셀 스택(1)을 관통하는 적어도 하나의 제3 채널(8)을 구비하고, 상기 전기분해 셀(2)은 적어도 하나의 소결된 구성요소(19)로 형성된 양극판(19)을 구비하며, 상기 양극판은 평면 금속판(20)과, 상기 평면 금속판에 배열되며 내부에 통합되는 채널 형성 요소(25, 39, 42)를 갖는 제1 금속 프레임(23)과, 상기 제1 금속 프레임(23) 상에 배치되며 내부에 통합되는 다공성 수송층(32, 39, 42)을 갖는 제2 금속 프레임(30)으로 구성되며, 상기 채널 형성 요소(25, 39, 42)의 채널은 상기 셀 스택(1)을 관통하는 상기 채널(6, 7, 8) 중 상기 제1 채널(6)과 상기 제2 채널(7)을 라인 연결하는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
2. 제1항에 있어서,
   상기 채널 형성 요소는 주름진 시트(25)로 형성되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
3. 제2항에 있어서,
   상기 주름진 시트(25)의 웨이브 간격은 2mm 미만, 바람직하게는 1.5mm 미만, 특히 바람직하게는 1.0mm 미만인 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
4. 제1항에 있어서,
   상기 채널 형성 요소는 채널(40, 41)에 의해 관통되는 연속적인 다공성 수송층(39, 42)인 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 채널 형성 요소(25, 40)의 상기 채널은 한쪽이 개방되도록 설계되고 상기 평면 금속판(20)에 의해 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
6. 제4항에 있어서,
   상기 채널 형성 요소(42)의 상기 채널(41)은 상기 다공성 수송층(42) 내부의 폐쇄 채널로서 설계되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 채널 형성 요소(25, 39, 42)의 상기 채널은 직선 및/또는 물결 모양의 선 모양으로 진행되며, 바람직하게는 서로 평행한 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 채널 형성 요소(25, 39, 42)의 상기 채널은 배리어-프리로 구성되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 평면 금속판(20)에는 리세스(29)가 있으며, 이는 상기 제1 금속 프레임(23)에 형성된 채널(28)로 개방되고 수소 제거를 위해 상기 셀 스택(1)을 관통하는 상기 제3 채널(8)로 개방되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    프레임(17)은 상기 평면 금속판(20)에 의해 형성된 상기 양극판(19)의 측면에 대해 지지하고, 프레임에는 추가 채널 형성 요소가 배치되는 중앙 리세스를 가지며, 그 채널은 상기 평면 금속판(20)의 상기 리세스(29)에 라인 연결되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
11. 제10항에 있어서,
    상기 추가 채널 형성 요소는 가스 확산층(38)에 의해 형성되며, 바람직하게는 펠트형 방식으로 배열된 탄소 섬유로 구성되는 가스 확산층(38)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
12. 제10항에 있어서,
    상기 추가 채널 형성 요소는 주름진 시트(44) 또는 확장된 금속(43)으로 형성되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가 채널 형성 요소는 바람직하게는 리세스를 갖는 지지 플레이트(36) 및 가스 확산층(38)을 개재하여 촉매 코팅된 양성자 교환막(16)의 수소 측을 지지하는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소결된 구성요소(19)는 상기 제2 프레임(30)까지 도달하는 미세다공성 층(33)에 의해 한쪽 면이 덮혀 있는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세다공성 층(33)은 개별 구성요소로서 생성되고, 배치되며, 소결에 의해 나머지 구성요소(20, 23, 25, 30, 32)에 연결되어 소결된 구성요소(19)를 형성하는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미세다공성 층(33)은 스크린 인쇄 또는 스텐실 인쇄에 의해 적용되고 이어서 소결되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양극판(19)은 제2 프레임(30)과 그 안에 통합된 상기 다공성 수송층(32), 그리고 거기에 적용된 상기 미세다공성 층(33)을 매개로 양성자 교환막(16)의 산소 측에 대해 지지하는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 금속 프레임(23)의 두께는 1mm 미만, 바람직하게는 0.8mm 미만, 특히 바람직하게는 0.6mm 미만인 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 수송층(32, 39, 42)은 섬유로, 바람직하게는 합성 섬유로, 특히 바람직하게는 폴리에틸렌 섬유로 강화된 공급원료의 도움으로 생산되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택
20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    채널은 상기 셀 스택(1)을 관통하는 채널(6, 7, 8)에 대한 라인 연결을 형성하는 리세스/각인(26, 27, 28)에 의해 상기 제1 금속 프레임(23)에 형성되는 것을 특징으로 하는 물 전기분해 스택.