KR20240015363A - 조립형 단일 셀 방식의 수전해 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 분리막을 기준으로 캐소드 측과 애노드 측에 각각 바이폴라 플레이트, 가스켓, 확산체, 전극 및 셀 프레임이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루는 개별 스택을 포함하고, 복수의 상기 개별 스택들을 볼트 압착 방식, 필터프레스 방식 도는 유압식으로 적층하여 모듈화시킨 것을 특징으로 하는 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈에 관한 것으로서, 제로 갭 체결에 의한 내부저항 감소, 기체 및 액체의 연속적인 통로 확보, 및 내부 부품의 간소화를 이룰 수 있으며, 다양한 용량에 유연하게 대응할 수 있다.
Description
본 발명은 클로로-알칼리 단일 셀 적층 방식과 볼트 압착 스택 방식을 접목한 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈에 관한 것이다.
수소 제조 기술 분야 중에서 수전해는 물을 전기분해하여 고순도(99.999%)의 그린수소를 생산하는 기술로서, 알칼라인 수전해(Alkalnie electrolysis; AEL), 고분자 전해질막 수전해(Polymer electrolyte membrane electrolysis; PEMEL), 고체 산화물 수전해(Solid Oxide Electrolyser Cell; SOEC) 기술 등을 포함한다.
이 중에서 알칼라인 수전해는 KOH 또는 NaOH 등의 알칼리 수용액을 전해질로 사용하여 염기성 환경에서 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시키는 기술로서, 가장 오랜 시간 연구되어 왔으며, 다양한 기술을 통해 안정성 및 가격 경쟁력이 입증되었고, 기술적 성숙도가 높다. 구체적으로, 고분자 전해질막 수전해(PEM)의 경우 귀금속 촉매를 사용하지만, 알칼라인 수전해는 고가의 귀금속 촉매가 아니라 니켈 또는 스테인리스강을 주요 소재로 사용하므로 초기 설치 비용이 상대적으로 저렴하고, 시스템 수명이 길며 대용량 수소 발생에 적합한 기술이다.
이러한 알칼라인 수전해 기술에 사용되는 수전해 스택(stack)은 수소 및 산소 발생 전극, 분리막, 가스켓, 집전판 등으로 구성된다. 그리고, 종래의 알칼라인 수전해 기술의 스택은, 클로로-알칼리(Chloro-alkali) 기술을 변형한 단일 셀 적층 방식과 볼트 압착 스택 방식으로 나뉠 수 있다. 클로로-알칼리 기술을 변형한 단일 셀 적층 방식은, 종래의 클로로-알칼리 공정(Chloro-alkali process)를 변형하여 각각의 셀에 독립적인 유로 입/출력 구조를 갖는 단일 셀을 원하는 수만큼 연결하여 단일 셀 독립 유로 방식의 스택을 구성한다. 또한, 볼트 압착 스택 방식은, 엔드 플레이트, 집전판, 가스켓, 메쉬형 확산층, 전극, 분리막을 연결하는 셀 프레임을 대칭으로 순차적으로 연결하여 단일 셀을 구성하고, 셀을 원하는 수만큼 적층하여 볼트로 고정한 후, 기체, 액체, 전류의 입/출력이 하나로 연결되도록 스택을 구성한다.
클로로-알칼리 기술을 변형한 단일 셀 적층 방식은, 기존 가성소다 생산 설비를 변형하여 수전해 장비로 용도 변경함으로써 제품의 안정성이나 기술력을 확보할 수 있다, 그러나, 이 단일 셀 적층 방식은 단일 셀에 개별 유로를 형성하고 있어 단일 셀의 크기와 부피가 커짐으로써 소재부품 사용량이 많아지며, 단일 셀에 개별 유로가 형성되어 있어 부품 수가 증가하는 단점이 있다. 특히, 단일 셀 적층 방식은 단일 셀 적층 시 수십에서 수백장을 적층할 경우 볼트 압착 스택 방식에 비해 스택 구성 부품들 간의 단차없이 정확하게 일치시키기가 어려워 수전해 스택의 효율이 저하되는 문제가 있었다. 또한, 단일 셀 적층 방식은 제품 손상 및 성능 저하시 교체에 어려움이 있고, 유로의 흐름이나 기체의 흐름이 개별적으로 구성되어 볼트 압착 스택 방식에 비해 많은 수의 부품이 추가되어 관리에 어려움이 있다.
볼트 압착 스택 방식은, 각각의 부품을 연속적으로 적층하여 용량을 확보하며, 단일 셀들의 연속적인 연결로 인하여 기체 및 액체의 유로가 단순화되고, 내부 저항이 감소하여 성능 확보에 적합하다. 그러나, 각각의 부품의 연속적인 체결로 인하여 부품의 수가 증가하며, 오 조립 시 제품 전체의 성능에 악영향을 주며 교체 및 수리가 어려운 단점이 있다. 특히, 볼트 압착 스택 방식은 부품의 손상 및 성능 저하시 전체 스택을 분리하여 손상 및 성능 저하 부품을 교체해야 하므로 수전해 시스템 동작이 장시간 정지해야 하며 현장 조치가 어려운 단점이 있다.
선행기술문헌 1: 공개특허공보 제10-2021-0010231호(2021.01.27.)
선행기술문헌 2: 공개특허공보 제10-2003-0090653호(2003.11.28.)
선행기술문헌 3: 공개특허공보 제10-2015-0007122호(2015.01.20.)
전술한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 독립적인 단일 셀들을 볼트 압착 스택 방식으로 연결하여 하나의 스택을 구성함으로써, 제로 갭 체결에 의한 내부저항 감소, 기체 및 액체의 연속적인 통로 확보, 및 내부 부품의 간소화를 이루고, 다양한 용량에 유연하게 대응할 수 있는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 바이폴라 플레이트와 셀 프레임 사이 및/또는 분리막과 셀 프레임 사이에 유동 기체 및 유체의 누출을 효과적으로 방지할 수 있는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 위에 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들을 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 분리막을 기준으로 캐소드 측과 애노드 측에 각각 바이폴라 플레이트, 가스켓, 확산체, 전극 및 셀 프레임이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루는 개별 스택을 포함하고, 상기 개별 스택은 볼트 압착 방식으로 체결되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 개별 스택은 상기 확산체, 상기 전극, 상기 분리막, 및 상기 가스켓은 제로-갭 방식으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 확산체는 메쉬, 니트, 폼 방식으로 제조된 다공체이며, 상기 확산체는 10㎛ ~ 10mm의 기공 및 0.1mm ~ 20mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 개별 스택은 상기 바이폴라 플레이트, 상기 가스켓, 및 상기 셀 프레임)을 연결하는 수소 및 산소 배출을 위한 유로 및 전해질의 유입과 배출을 위한 유로를 포함하고, 상기 개별 스택은 상기 바이폴라 플레이트 외부의 볼트와 상기 셀 프레임 내부의 인서트 너트를 이용하여 볼트 압착 방식으로 체결되어 단일 셀 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈은, 복수의 상기 개별 스택을 지지하는 지지 플레이트; 상기 지지 플레이트의 일단에 고정되는 고정식 엔드 플레이트; 상기 지지 플레이트의 타단에 수평방향으로 이동 가능하게 설치되는 이동식 엔드 플레이트; 및 상기 고정식 엔드 플레이트와 상기 이동식 엔드 플레이트 사이에 체결되어, 상기 고정식 엔드 플레이트와 상기 이동식 엔드 플레이트 사이에 적층된 복수의 상기 개별 스택을 가압 지지하는 체결 볼트를 더 포함하고, 복수의 상기 개별 스택들은 유압 또는 공압을 이용한 필터프레스 방식으로 적층하여 모듈화되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 개별 스택들의 적층방향을 따라 배치된 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드를 더 포함하고, 상기 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드는 서로 독립적으로 배치되어 상기 개별 스택들과 연결된 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 가스켓은 외측을 향하여 돌출된 2개의 돌기로 이루어지고, 상기 2개의 돌기는 상하방향으로 서로 대칭을 이루는 삼각형상이며, 상기 개별 스택의 압착시 서로 이격되는 방향으로 퍼져서 유동 기체 및 유체의 누출을 방지하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가스켓은 상기 바이폴라 플레이트와 상기 셀 프레임 사이의 삽입되어 상기 전극 주변의 누설을 방지하는 전극 가스켓 및 상기 분리막과 상기 셀 프레임 사이에 삽입되어 상기 분리막 주변의 누설을 방지하는 분리막 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 셀 프레임은 상기 가스켓의 2개의 돌기 사이에 삽입되는 삼각형상의 돌기를 구비하여, 상기 개별 스택의 압착시 상기 가스켓이 상기 셀 프레임에 스냅 피트 방식으로 압착되는 것을 특징으로 한다.
부가적으로, 상기 가스켓의 돌기는 상기 바이폴라 플레이트가 상기 셀 프레임과 접촉하지 않도록 하는 두께로 돌출된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 셀 프레임은 중심에 상기 전극의 면적과 대응하는 면적의 전해질 분포 영역을 구비하고, 상기 셀 프레임의 하부 측에는 전해질이 공급되는 전해질 공급 매니폴드 배관, 상기 전해질 공급 매니폴드 배관으로부터 유입된 전해질이 상기 전해질 분포 영역에 배치된 전극에 균일하게 분포될 수 있도록 하는 2개의 공급 유로 및 복수의 분배 유로가 구비되고, 상기 공급 유로는 상기 전해질 공급 매니폴드 배관과 연결되어 상기 셀 프레임의 가로방향으로 연장된 1차 공급 유로 및 상기 1차 공급 유로의 상부 측에서 상기 1차 공급 유로와 연통되고 상기 셀 프레임의 상기 전해질 분포 영역의 가로방향을 따라 연장된 2차 공급 유로를 포함하고, 복수의 상기 분배 유로는 상기 2차 공급 유로의 상부 측에서 상기 1차 공급 유로 및 상기 2차 공급 유로와 연통되고 상기 셀 프레임의 상기 전해질 분포 영역의 가로방향을 따라 서로 일정간격 이격되어 배치된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 셀 프레임의 상부 측에는 상기 전해질 분포 영역으로 공급된 전해질이 배출되는 배출 매니폴드 배관이 구비되고, 상기 배출 매니폴드 배관의 하부 측에는 상기 배출 매니폴드 배관과 연통되고 상기 셀 프레임의 상기 전해질 분포 영역의 가로방향을 따라 서로 일정간격 이격되어 배치된 복수의 배출 유로가 구비되고, 상기 배출 유로와 상기 배출 매니폴드 배관 사이에는 상기 셀 프레임의 상기 전해질 분포 영역의 가로방향을 따라 소정 길이로 연장된 배출 제어 유로가 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 1개 이상의 전극(양극 및 음극)과 분리막을 연결하여 하나의 조립형 단일 셀 구조를 만들고, 이 하나의 독립적인 조립형 단일 셀을 1 ~ 200개 이상 연속적으로 볼트 압착 방식, 필터프레스 방식 또는 유압식으로 연결하여 하나의 수전해 모듈을 구성할 수 있다. 이에 따라, 제로 갭 체결에 의한 내부저항 감소, 기체 및 액체의 연속적인 통로 확보, 및 내부 부품의 간소화를 이룰 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 기체 및 액체의 입/출력이 연결되어 있어 제품의 분리 해체가 간단하여, 제품의 손상 및 성능 저하시 단일 셀의 교체가 수리가 용이하다.
또한, 본 발명에 따르면, 하나의 연속된 매니폴드 구조의 유로와 연속적인 전류 연결의 바이폴라 전류 인가 방식을 적용함으로써, 제품의 부피를 최소화하고, 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 개별 조립형 단일 셀을 바로 연결하여 구동할 수 있어, 원하는 용량에 맞춰 개별 스택의 수량을 조정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 바이폴라 플레이트와 셀 프레임 사이 및/또는 분리막과 셀 프레임 사이에 이중 돌출 구조의 가스켓이 삽입되고, 이 이중 돌출 구조 가스켓은 압착시 돌기들이 서로 이격되는 방향으로 퍼져서 유동 기체 및 유체의 누출을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 개별 스택을 도시한 분해 사시도,
도 2는 도 1의 개별 스택들을 필터프레스 방식으로 적층하여 모듈화한, 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈을 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 가스켓의 일부를 확대 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 가스켓을 도시한 측단면도,
도 5a는 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 가스켓이 바이폴라 플레이트와 셀 프레임 내부에 삽입된 상태를 도시한 측단면도,
도 5b는 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 개별 스택이 볼트 압착 방식으로 체결된 상태를 도시한 측단면도,
도 6은 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 셀 프레임을 도시한 정면도.
도 2는 도 1의 개별 스택들을 필터프레스 방식으로 적층하여 모듈화한, 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈을 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 가스켓의 일부를 확대 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 가스켓을 도시한 측단면도,
도 5a는 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 가스켓이 바이폴라 플레이트와 셀 프레임 내부에 삽입된 상태를 도시한 측단면도,
도 5b는 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 개별 스택이 볼트 압착 방식으로 체결된 상태를 도시한 측단면도,
도 6은 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 셀 프레임을 도시한 정면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성 요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈(10)은 복수의 개별 스택(100)으로 구성되며, 각각의 개별 스택(100)은 분리막(110)을 기준으로 캐소드(cathod) 측과 애노드(anode) 측에 각각 바이폴라 플레이트(120a, 120b), 가스켓(130a, 130b), 확산체(140a, 140b), 전극(150a, 150b) 및 셀 프레임(160a, 160b)이 순차적으로 적층되어 서로 대칭을 이루도록 구성된다. 그리고, 각각의 개별 스택(100)은 볼트 압착 방식으로 체결되고, 복수의 개별 스택들은 유압 또는 공압을 이용하여 필터프레스 방식으로 적층되어 모듈화된다.
구체적으로, 개별 스택(100)은 한 쌍의 셀 프레임(160a, 160b) 내부에 분리막(110), 한 쌍의 전극(150a, 150b), 한 쌍의 확산체(140a, 140b), 및 한 쌍의 가스켓(130a, 130b)이 수용되도록 바이폴라 플레이트(120a, 120b)와 셀 프레임(160a, 160b)을 조립하여 구성된 단일 셀 구조이다. 즉, 한 쌍의 셀 프레임(160a, 160b) 안에는 분리막(110)을 중심으로 캐소드 측의 바이폴라 플레이트(120a), 가스켓(130a), 확산체(140a) 및 전극(150a) 그리고 애노드 측의 바이폴라 플레이트(120b), 가스켓(130b), 확산체(140b) 및 전극(150b)이 서로 대칭을 이루어 적층된다.
셀 프레임(160a, 160b)은 PS, PESU, PP, PPSU, SUS, PTFE 등의 강 알칼리에 내식성이 있는 소재를 사용할 수 있다. 이 셀 프레임(160a, 160b)은 양극실 및 음극실이 별도로 구성되며, 수소와 산소 배출을 위한 유로 및 전해질의 유입과 배출을 위한 유로를 포함하여 구성된다.
바이폴라 플레이트(120a, 120b)는 개별 스택(100)의 최외측에 각각 배치되어 외부의 전류를 내부의 전극(150a, 150b)에 인가하는 부스바 역할을 하는 금속 플레이트로서, 각각의 조립형 단일 셀로 이루어진 개별 스택들(100) 사이의 전류 연결이 이루어지도록 하는 역할을 한다. 여기서, 바이폴라 플레이트(120a, 120b)는 SUS, 니켈 도금, 니켈 플레이트, 코팅 및 플라즈마를 이용하여 제조될 수 있다.
가스켓(130a, 130b)은 개별 스택(100)을 구성하는 각각의 부품들 사이의 누수를 방지하기 위한 것으로서, 바이폴라 플레이트(120a, 120b) 및 셀 프레임(160a, 160b) 사이에 삽입된다. 이 가스켓(130a, 130b)은 EPDM, 불소 계역 고무 또는 PTFE 등의 강 알칼리에 내식성이 있는 소재로 이루어질 수 있다. 또한, 가스켓(130a, 130b)은 이중 돌기 형상으로 형성되어 액체 또는 기체가 부품들 사이로 투과되지 않도록 한다. 이 가스켓(130a, 130b)에 대해서는 도 3 내지 6을 참조하여 후술하기로 한다.
확산체(140a, 140b)는 바이폴라 플레이트(120a, 120b)를 향하는 전극(150a, 150b)의 일면에 배치되어, 분리막(110)으로부터 캐소드 측의 전극(150a) 및 애노드 측의 전극(150b)으로 공급되는 유체를 고르게 확산시키는 역할을 한다. 이 확산체(140a, 140b)는 메쉬, 니트, 폼 방식으로 제조된 다공체이며, 예를 들면 10㎛ ~ 10mm의 기공 크기 및 0.1mm ~ 20mm의 두께를 가질 수 있다. 또한, 확산체(140a, 140b)는 SUS, 니켈 도금, 니켈, 코팅 및 플라즈마를 이용하여 제조될 수 있다.
전극(150a, 150b)은 분리막(110)과 확산체(140a, 140b) 사이에 배치된다. 이 전극(150a, 150b)은 니켈, 철 등을 기초로 Ni, Fe, Co, Mo 등과 같은 전이 금속이 주로 사용될 수 있고, 이 전이 금속을 혼합한 혼합 산화물 등을 각종 금속의 다공체(타공판, 메쉬, 익스펜디드 메탈, 니트) 위에 코팅, 플라즈마 또는 도금 가공하여 제조될 수 있다.
분리막(110)은 한 쌍의 전극(150a, 150b) 사이에 적층된다. 이 분리막(110)은 강염기 환경에서의 내구성 확보를 위해 세라믹 입자를 분산시킨 다공성 복합체가 주로 사용될 수 있다. 예를 들면, 분리막(110)은 PPS, PPSU 고분자 매트릭스 지지체 위에 지르코늄 혼합물을 분사시켜 제조될 수 있다.
여기서, 개별 스택(100)은 한 쌍의 셀 프레임(160a, 160b) 내부에 분리막(110), 한 쌍의 전극(150a, 150b), 한 쌍의 확산체(140a, 140b), 및 한 쌍의 가스켓(130a, 130b)을 적층 배치하고, 셀 프레임(160a, 160b) 외부에 한 쌍의 바이폴라 플레이트(120a, 120b)를 체결하여 조립된다. 이때, 개별 스택(100)은 바이폴라 플레이트(120a, 120b) 외부의 볼트와 셀 프레임(160a, 160b) 내부의 인서트 너트를 체결하여 단일 셀 구조로 조립된다. 또한, 조립된 단일 셀 개별 스택(100)은 바이폴라 플레이트(120a, 120b), 가스켓(130a, 130b), 셀 프레임(160a, 160b)을 연결하는 수소 및 산소 배출을 위한 유로 및 전해질의 유입과 배출을 위한 유로가 형성되어 있다.
특히, 한 쌍의 바이폴라 플레이트(120a, 120b)와 한 쌍의 셀 프레임(160a, 160b)의 내부에 적층되는 확산체(140a, 140b), 전극(150a, 150b), 분리막(110), 및 가스켓(130a, 130b)은 제로-갭(zero-gap) 방식으로 적층 되어, 전류 연결을 원할하게 하며, 낮은 저항으로 전류 손실을 감소시키는 효과를 발휘한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈은 지지 플레이트(11), 고정식 엔드 플레이트(12), 이동식 엔드 플레이트(13), 및 체결 볼트(14)를 포함하여, 개별 스택들(100)을 용량에 맞춰 압착 방식으로 적층함으로써, 수전해 개별 스택 조립체(수전해 모듈)(10)를 구성할 수 있다.
구체적으로, 지지 플레이트(11)는 판형 구조물로서, 나란하게 적층된 복수의 개별 스택들(100)을 지지하는 역할을 한다. 이 지지 플레이트(11)는 이동식 엔드 플레이트(13)가 개별 스택들(100)의 적층방향을 따라 이동할 수 있도록 하는 가이드 레일 또는 장공(미도시)을 구비할 수 있다.
고정식 엔드 플레이트(12)는 지지 플레이트(11)의 일단에 수직방향으로 고정되어 적층된 개별 스택들(100)의 일측을 지지한다.
이동식 엔드 플레이트(13)는 지지 플레이트(11)의 타단에 수평방향(개별 스택들의 적층 방향)으로 이동 가능하게 설치된다. 이동식 엔드 플레이트(13)는 지지 플레이트(11)의 가이드 레일 또는 장공에 이동 가능하게 체결된다. 여기서, 이동식 엔드 플레이트(13)는 적층되는 개별 스택들(100)의 수량 및 개별 스택들(100) 사이의 압착 압력에 따라 지지 플레이트(11) 상에서 이동 가능하다. 그리고, 스택들(100)이 적층되고 정해진 압착 압력 값으로 이 스택들(100)이 적층된 후에, 이동식 엔드 플레이트(13)는 볼트를 통해 지지 플레이트(11)에 고정된다.
체결 볼트(14)는 고정식 엔드 플레이트(12)와 이동식 엔드 플레이트(13) 사이에 체결되어, 고정식 엔드 플레이트(12)와 이동식 엔드 플레이트(13) 사이에 적층된 복수의 개별 스택들(100)을 가압 지지한다. 여기서, 체결 볼트(14)는 복수 개로 이루어지고, 지지 플레이트(11) 상에 지지된 개별 스택들(100)의 외부에 인접하게 배치된다. 바람직하게는, 복수의 체결 볼트들(14)은 지지 플레이트(11) 상에 지지된 개별 스택들(100)의 외부와 접촉하여 개별 스택들(100)을 고정하는 역할을 수행할 수 있다. 이때, 개별 스택(100)과 체결 볼트(14) 사이에는 절연 처리가 필요하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈은 개별 스택들(100)의 적층방향을 따라 배치된 수소 배출 매니폴드(21), 산소 배출 매니폴드(22), 수소부 전해질 유입 매니폴드(23), 및 산소부 전해질 유입 매니폴드(24)를 더 포함하고, 이 매니폴드들(21, 22, 23, 24)은 서로 독립적으로 배치된다.
예를 들면, 도 2를 기준으로, 수소 배출 매니폴드(21)는 수전해 모듈(10)의 좌측 상부에 배치되고, 산소 배출 매니폴드(22)는 수전해 모듈(10)의 우측 상부에 배치되고, 수소부 전해질 유입 매니폴드(23)는 수전해 모듈(10)의 우측 하부에 배치되고, 산소부 전해질 유입 매니폴드(24)는 수전해 모듈(10)의 좌측 하부에 배치될 수 있다. 그리고, 이 매니폴드들(21, 22, 23, 24)은 서로 독립적으로 배치되어 개별 스택들(100)의 수소와 산소 배출을 위한 유로 및 전해질의 유입과 배출을 위한 유로와 연결된다. 이러한 매니폴드들(21, 22, 23, 24)의 배치 및 연결 구조에 의해, 제품의 부피 및 전력 소모량을 줄이고, 션트 전류에 의한 장비의 손상을 방지할 수 있다.
도 3 내지 4를 참조하면, 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈에 사용되는 가스켓(130a)(또는 130b)은 이중 돌출 구조의 가스켓으로 구성될 수 있다. 구체적으로, 가스켓(130a)은 외측을 향하여 돌출된 2개의 돌기(131)로 이루어지고, 이 2개의 돌기(131)는 상하방향으로 서로 대칭을 이루는 삼각형상을 갖는다. 즉, 가스켓(130a)은 평면에서 볼 때 이중 라인 형태의 돌출 구조를 갖는다.
이러한 이중 돌출 구조의 가스켓(130a)에 의해, 개별 스택(100)의 압착시 돌기들(131)이 서로 이격되는 방향으로 퍼져서 유동 기체 및 유체의 누출을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 5a를 참조하면, 가스켓은 바이폴라 플레이트(120a, 120b)와 셀 프레임(160a, 160b) 사이의 삽입되어 전극(150a, 150b) 주변의 누설을 방지하는 전극 가스켓(130a, 130b) 및 분리막(110)과 셀 프레임(160a, 160b) 사이에 삽입되어 분리막(110) 주변의 누설을 방지하는 분리막 가스켓(130c)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 전극 가스켓(130a, 130b)은 음극 바이폴라 플레이트(120a)와 음극 셀 프레임(160a) 사이에 삽입되어 음극(150a) 주변으로 기체 및 액체가 누설되는 것을 방지하는 음극 가스켓(130a)과, 양극 바이폴라 플레이트(120b)와 양극 셀 프레임(160b) 사이에 삽입되어 양극(150b) 주변으로 기체 및 액체가 누설되는 것을 방지하는 양극 가스켓(130b)을 포함한다.
또한, 분리막 가스켓(130c)은 분리막(110)과 음극 셀 프레임(160a) 및 양극 셀 프레임(160b) 사이에 삽입되어 분리막(110) 주변으로 기체 및 액체가 누설되는 것을 방지한다. 여기서, 전극 가스켓(130a, 130b)은 셀 프레임(160a, 160b) 측으로만 돌출된 돌기들(131)을 구비할 수 있고, 분리막 가스켓(130c)은 음극 및 양극 셀 프레임(160a, 160b) 각각으로 돌출된 양방향 돌기들(131)을 구비할 수 있다.
이러한 전극 가스켓(130a, 130b) 및 분리막 가스켓(130c)에 의해, 전극(150a, 150b)과 셀 프레임(160a, 160b) 사이 그리고 분리막(110)과 셀 프레임(160a, 160b) 사이의 기체 및 액체 누설을 효과적으로 방지할 수 있다.
도 5b를 참조하면, 개별 스택(100)은 바이폴라 플레이트(120a, 120b) 외부의 볼트(31, 32)와 셀 프레임(160a, 160b) 내부의 인서트 너트(41, 42)를 체결하여 단일 셀 구조로 조립된다. 구체적으로, 음극 셀 프레임(160a)과 양극 셀 프레임(160b) 내부에 인서트 너트(41)가 삽입되고, 음극 바이폴라 플레이트(120a)의 외측에서 볼트(31)가 삽입되어 인서트 너트(41)와 체결됨으로써, 음극 바이폴라 플레이트(120a)가 셀 프레임(160a, 160b)에 체결된다. 또한, 음극 셀 프레임(160a)과 양극 셀 프레임(160b) 내부에 인서트 너트(42)가 삽입되고, 양극 바이폴라 플레이트(120b)의 외측에서 볼트(32)가 삽입되어 인서트 너트(42)와 체결됨으로써, 양극 바이폴라 플레이트(120b)가 셀 프레임(160a, 160b)에 체결된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈의 개별 스택(100)은 볼트(31, 32)와 인서트 너트(41, 42)를 이용하여 볼트 압착 방식으로 체결 가능하다.
바람직하게는, 셀 프레임(160a, 160b)은 가스켓(130a, 130b, 130c)의 2개의 돌기들(131) 사이에 삽입되는 삼각형상의 돌기(161)(도 4 참조)를 구비할 수 있다. 이러한 돌기들(131, 161)의 구성에 의해, 개별 스택 압착 시 가스켓(130a, 130b, 130c)의 돌기들(131)과 셀 프레임(160a, 160b)의 돌기(161)들이 서로 스냅 피트(snap-fit) 방식으로 결합되어, 셀 프레임(160a, 160b)에 가스켓(130a, 130b, 130c)이 견고하게 압착될 수 있다.
여기서, 가스켓(130a, 130b, 130c)의 돌기(131)는 바이폴라 플레이트(120a, 120b)가 셀 프레임(160a, 160b)과 접촉하지 않도록 하는 두께로 돌출되는 것이 바람직하다. 이러한 가스켓(130a, 130b, 130c)의 돌기(131)의 돌출 구조에 의해 바이폴라 플레이트(120a, 120b)와 셀 프레임(160a, 160b) 사이의 절연을 확실하게 보장할 수 있다.
도 6을 참조하면, 셀 프레임(160a, 160b)은 그 중심에 전극(150a, 150b)의 면적과 대응하는 면적의 전해질 분포 영역(A)(또는 전극 영역)을 구비한다. 또한, 셀 프레임(160a, 160b)의 하부 측에는 전해질이 공급되는 전해질 공급 매니폴드 배관(162), 전해질 공급 매니폴드 배관(162)으로부터 유입된 전해질이 전해질 분포 영역(A)에 배치된 전극에 균일하게 분포될 수 있도록 하는 2개의 공급 유로(163, 164), 및 복수의 분배 유로(165)가 구비된다.
여기서, 공급 유로(163, 164)는 전해질 공급 매니폴드 배관(162)과 연결되어 셀 프레임(160a, 160b)의 가로방향으로 연장된 1차 공급 유로(163) 및 1차 공급 유로(163)의 상부 측에서 1차 공급 유로(163)와 연통되고 셀 프레임(160a, 160b)의 전해질 분포 영역(A)의 가로방향을 따라 연장된 2차 공급 유로(164)를 포함하여 구성된다. 여기서, 2차 공급 유로(164)의 폭은 1차 공급 유로(163)의 폭과 같거나 이보다 작게 형성된다.
또한, 복수의 분배 유로들(165)은 2차 공급 유로(164)의 상부 측에서 1차 공급 유로(163) 및 2차 공급 유로(164)와 연통되고, 셀 프레임(160a, 160b)의 전해질 분포 영역(A)의 가로방향을 따라 서로 일정간격 이격되어 배치된다. 여기서, 복수의 분배 유로(165)의 폭은 2차 공급 유로(164)의 폭과 같거나 이보다 작게 형성된다.
이러한 전해질 공급 매니폴드 배관(162), 1차 공급 유로(163), 2차 공급 유로(164), 및 복수의 분배 유로(165)에 의해, 전해질 공급 매니폴드 배관(162)으로 유입된 전해질은 1차 공급 유로(163)를 따라 셀 프레임(160a, 160b)의 가로방향으로 유동함과 동시에 2차 공급 유로(164) 및 분배 유로(165) 측으로 전달되고, 2차 공급 유로(164)를 따라 유동하는 전해질 역시 분배 유로(165) 측으로 전달된다. 따라서, 전해질 공급 매니폴드 배관(162)을 통해 공급되는 전해질은 셀 프레임(160a, 160b)의 전해질 분포 영역(A)에 고르게 분포될 수 있다.
한편, 셀 프레임(160a, 160b)의 상부 측에는 전해질 분포 영역(A)으로 공급된 전해질이 배출되는 배출 매니폴드 배관(166)이 구비된다. 또한, 배출 매니폴드 배관(166)의 하부 측에는, 배출 매니폴드 배관(166)과 연통되고 셀 프레임(160a, 160b)의 전해질 분포 영역(A)의 가로방향을 따라 서로 일정간격 이격되어 배치된 복수의 배출 유로(167)가 구비된다.
여기서, 배출 유로(167)와 배출 매니폴드 배관(166) 사이에는 셀 프레임(160a, 160b)의 전해질 분포 영역(A)의 가로방향을 따라 소정 길이로 연장된 배출 제어 유로(167)가 구비된다. 이 배출 제어 유로(168)는 전해질 분포 영역(A)의 가로방향 길이보다 작은 길이로 배치되고, 바람직하게는 전해질 분포 영역(A)의 가로방향 길이의 3/4를 초과하지 않도록 연장된다.
이러한 배출 매니폴드 배관(166), 배출 유로(167), 및 배출 제어 유로(168)의 구성에 의해, 전해질 분포 영역(A)의 전해질은 배출 유로(167)를 거친 후 배출 제어 유로(168) 측에서 유동이 변화하면서 배출 매니폴드 배관(166)으로 원활하게 배출될 수 있다.
10: 모듈
11: 지지 플레이트
12: 고정식 엔드 플레이트 13: 이동식 엔드 플레이트
14: 체결 볼트 21: 수소 배출 매니폴드
22: 산소 배출 매니폴드 23: 수소부 전해질 유입 매니폴드
24: 산소부 전해질 유입 매니폴드 31, 32: 볼트
41, 42: 인서트 너트 100: 개별 스택
110: 분리막 120a, 120b: 바이폴라 플레이트
130a, 130b, 130c: 가스켓 131: 돌기
140a, 140b: 확산체 150a, 150b: 전극
160a, 160b: 셀 프레임 161: 돌기
A: 전해질 분포 영역(전극 영역) 162: 전해질 공급 매니폴드 배관
163: 1차 공급 유로 164: 2차 공급 유로
165: 분배 유로 166: 배출 매니폴드 배관
167: 배출 유로 168: 배출 제어 유로
12: 고정식 엔드 플레이트 13: 이동식 엔드 플레이트
14: 체결 볼트 21: 수소 배출 매니폴드
22: 산소 배출 매니폴드 23: 수소부 전해질 유입 매니폴드
24: 산소부 전해질 유입 매니폴드 31, 32: 볼트
41, 42: 인서트 너트 100: 개별 스택
110: 분리막 120a, 120b: 바이폴라 플레이트
130a, 130b, 130c: 가스켓 131: 돌기
140a, 140b: 확산체 150a, 150b: 전극
160a, 160b: 셀 프레임 161: 돌기
A: 전해질 분포 영역(전극 영역) 162: 전해질 공급 매니폴드 배관
163: 1차 공급 유로 164: 2차 공급 유로
165: 분배 유로 166: 배출 매니폴드 배관
167: 배출 유로 168: 배출 제어 유로
Claims (12)
- 분리막을 기준으로 캐소드 측과 애노드 측에 각각 바이폴라 플레이트, 가스켓, 확산체, 전극 및 셀 프레임이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루는 개별 스택을 포함하고, 상기 개별 스택은 볼트 압착 방식으로 체결되는 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 개별 스택은 상기 확산체, 상기 전극, 상기 분리막, 및 상기 가스켓은 제로-갭 방식으로 적층되는 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 확산체는 메쉬, 니트, 폼 방식으로 제조된 다공체이며, 상기 확산체는 10㎛ ~ 10mm의 기공 및 0.1mm ~ 20mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 개별 스택은 상기 바이폴라 플레이트, 상기 가스켓, 및 상기 셀 프레임)을 연결하는 수소 및 산소 배출을 위한 유로 및 전해질의 유입과 배출을 위한 유로를 포함하고,
상기 개별 스택은 상기 바이폴라 플레이트 외부의 볼트와 상기 셀 프레임 내부의 인서트 너트를 이용하여 볼트 압착 방식으로 체결되어 단일 셀 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제1항에 있어서,
복수의 상기 개별 스택을 지지하는 지지 플레이트;
상기 지지 플레이트의 일단에 고정되는 고정식 엔드 플레이트;
상기 지지 플레이트의 타단에 수평방향으로 이동 가능하게 설치되는 이동식 엔드 플레이트; 및
상기 고정식 엔드 플레이트와 상기 이동식 엔드 플레이트 사이에 체결되어, 상기 고정식 엔드 플레이트와 상기 이동식 엔드 플레이트 사이에 적층된 복수의 상기 개별 스택을 가압 지지하는 체결 볼트를 더 포함하고,
복수의 상기 개별 스택들은 유압 또는 공압을 이용한 필터프레스 방식으로 적층하여 모듈화되는 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제5항에 있어서,
상기 개별 스택들의 적층방향을 따라 배치된 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드를 더 포함하고,
상기 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드는 서로 독립적으로 배치되어 상기 개별 스택들과 연결된 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 가스켓은 외측을 향하여 돌출된 2개의 돌기로 이루어지고, 상기 2개의 돌기는 상하방향으로 서로 대칭을 이루는 삼각형상이며, 상기 개별 스택의 압착시 서로 이격되는 방향으로 퍼져서 유동 기체 및 유체의 누출을 방지하는 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제7항에 있어서,
상기 가스켓은 상기 바이폴라 플레이트와 상기 셀 프레임 사이의 삽입되어 상기 전극 주변의 누설을 방지하는 전극 가스켓 및 상기 분리막과 상기 셀 프레임 사이에 삽입되어 상기 분리막 주변의 누설을 방지하는 분리막 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제7항에 있어서,
상기 셀 프레임은 상기 가스켓의 2개의 돌기 사이에 삽입되는 삼각형상의 돌기를 구비하여, 상기 개별 스택의 압착시 상기 가스켓이 상기 셀 프레임에 스냅 피트 방식으로 압착되는 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제7항에 있어서,
상기 가스켓의 돌기는 상기 바이폴라 플레이트가 상기 셀 프레임과 접촉하지 않도록 하는 두께로 돌출된 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 셀 프레임은 중심에 상기 전극의 면적과 대응하는 면적의 전해질 분포 영역을 구비하고,
상기 셀 프레임의 하부 측에는 전해질이 공급되는 전해질 공급 매니폴드 배관, 상기 전해질 공급 매니폴드 배관으로부터 유입된 전해질이 상기 전해질 분포 영역에 배치된 전극에 균일하게 분포될 수 있도록 하는 2개의 공급 유로 및 복수의 분배 유로가 구비되고,
상기 공급 유로는 상기 전해질 공급 매니폴드 배관과 연결되어 상기 셀 프레임의 가로방향으로 연장된 1차 공급 유로 및 상기 1차 공급 유로의 상부 측에서 상기 1차 공급 유로와 연통되고 상기 셀 프레임의 상기 전해질 분포 영역의 가로방향을 따라 연장된 2차 공급 유로를 포함하고,
복수의 상기 분배 유로는 상기 2차 공급 유로의 상부 측에서 상기 1차 공급 유로 및 상기 2차 공급 유로와 연통되고 상기 셀 프레임의 상기 전해질 분포 영역의 가로방향을 따라 서로 일정간격 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
- 제11항에 있어서,
상기 셀 프레임의 상부 측에는 상기 전해질 분포 영역으로 공급된 전해질이 배출되는 배출 매니폴드 배관이 구비되고,
상기 배출 매니폴드 배관의 하부 측에는 상기 배출 매니폴드 배관과 연통되고 상기 셀 프레임의 상기 전해질 분포 영역의 가로방향을 따라 서로 일정간격 이격되어 배치된 복수의 배출 유로가 구비되고,
상기 배출 유로와 상기 배출 매니폴드 배관 사이에는 상기 셀 프레임의 상기 전해질 분포 영역의 가로방향을 따라 소정 길이로 연장된 배출 제어 유로가 구비된 것을 특징으로 하는, 조립형 단일 셀 방식의 알칼라인 수전해 모듈.
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