KR20240058756A - 수전해 셀 - Google Patents
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Abstract
수전해 셀(100)은, 애노드측 다공질 유로(10)와, 막 전극 접합체(23)와, 캐소드측 다공질 유로(30)와, 상기 애노드측 다공질 유로(10)의 상기 막 전극 접합체(23) 측과는 반대 측, 및, 상기 캐소드측 다공질 유로(30)의 상기 막 전극 접합체(23) 측과는 반대 측 중 적어도 어느 한쪽 측에 세퍼레이터(40)를 갖는다. 상기 애노드측 다공질 유로(10)와, 상기 막 전극 접합체(23)와, 상기 캐소드측 다공질 유로(30)를 이 순으로 구비한다. 상기 막 전극 접합체(23)는, 상기 애노드측 다공질 유로(10) 측으로부터 순서대로 애노드 촉매층과, 전해질막과, 캐소드 촉매층을 갖는다. 상기 애노드측 다공질 유로(10)의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 상기 캐소드측 다공질 유로(30)의 면방향의 면적보다도 크다.
Description
본 개시는, 수전해 셀에 관한 것이다.
수전해 장치에 대해서는, 다양한 연구가 이루어지고 있다. 예를 들어 일본 특허 공개 제2012-117140호에서는, 산소측 집전체를 수소측 집전체보다도 크게 함으로써, 수소측 집전체 측으로부터 산소측 집전체 측에 양의 압력이 가해졌다고 해도, 그 압력은 모두 고체 고분자 전해질막을 통해, 산소측 집전체의 면에서 받아낼 수 있는 기술이 개시되어 있다. 일본 특허 공개 제2017-210646호에서는, 다공질 도전체로 구성되는 애노드 급전체 및 다공질 도전체로 구성되는 캐소드 급전체에 의해 전해질막을 사이에 끼워서 지지하는 기술이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2012-117140호에서는, 집전체보다도 외측에 배치되는 부재에 대한 내압 수단의 기재가 없고, 집전체보다도 외측에 배치된 부재로 집전체를 지지할 수 없으면, 집전체의 변형의 우려가 있다는 문제가 있다.
본 개시는, 내압성을 향상시킬 수 있는 수전해 셀을 제공한다.
본 개시의 양태는, 수전해 셀을 제공한다. 상기 수전해 셀은, 애노드측 다공질 유로와, 막 전극 접합체와, 캐소드측 다공질 유로와, 상기 애노드측 다공질 유로의 상기 막 전극 접합체 측과는 반대 측, 및, 상기 캐소드측 다공질 유로의 상기 막 전극 접합체 측과는 반대 측 중 적어도 어느 한쪽 측에 배치된 세퍼레이터를 갖는다. 상기 애노드측 다공질 유로와, 상기 막 전극 접합체와, 상기 캐소드측 다공질 유로는, 이 순으로 배치된다. 상기 막 전극 접합체는, 상기 애노드측 다공질 유로측으로부터 순서대로 애노드 촉매층과, 전해질막과, 캐소드 촉매층을 갖는다. 상기 애노드측 다공질 유로의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 상기 캐소드측 다공질 유로의 면방향의 면적보다도 크다.
상기 양태의 수전해 셀은, 또한, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 상기 막 전극 접합체가 존재하지 않는 영역에 애노드측 공급 구멍과, 캐소드측 공급 구멍과, 애노드측 배출 구멍과, 캐소드측 배출 구멍을 가져도 된다. 상기 애노드측 다공질 유로는, 상기 애노드측 공급 구멍과 상기 애노드측 배출 구멍을 접속해도 된다. 상기 캐소드측 다공질 유로는, 상기 캐소드측 공급 구멍과 상기 캐소드측 배출 구멍을 접속해도 된다.
상기 양태의 수전해 셀에 있어서는, 상기 애노드측 다공질 유로와 상기 캐소드측 다공질 유로는, 금속 다공질 부재로 구성되어도 된다.
상기 양태의 수전해 셀은, 또한, 상기 애노드측 다공질 유로와 상기 애노드 촉매층 사이에 배치된, 애노드측 가스 확산층과, 상기 캐소드측 다공질 유로와 상기 캐소드 촉매층 사이에 배치된, 캐소드측 가스 확산층을 구비해도 된다. 상기 애노드측 다공질 유로의 면방향의 면적은, 상기 애노드측 가스 확산층의 면방향의 면적보다도 커도 된다. 상기 캐소드측 다공질 유로의 면방향의 면적은, 상기 캐소드측 가스 확산층의 면방향의 면적보다도 작아도 된다. 상기 애노드측 가스 확산층의 면방향의 면적은, 상기 캐소드측 가스 확산층의 면방향의 면적보다도 크고, 또한, 평면에서 보아 상기 애노드측 가스 확산층의 에지부가, 전체 둘레에 걸쳐, 상기 캐소드측 가스 확산층의 에지부보다도 외측에 위치하고 있어도 된다.
상기 양태의 수전해 셀은, 또한, 상기 애노드측 다공질 유로를 수용하는 제1 개구부를 갖는 제1 프레임과, 상기 막 전극 접합체를 수용하는 제2 개구부를 갖는 제2 프레임과, 상기 캐소드측 다공질 유로를 수용하는 제3 개구부를 갖는 제3 프레임을 가져도 된다. 상기 제1 프레임은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 상기 막 전극 접합체가 존재하지 않는 영역에 제1 애노드측 공급 구멍과, 제1 캐소드측 공급 구멍과, 제1 애노드측 배출 구멍과, 제1 캐소드측 배출 구멍을 가져도 된다. 상기 제2 프레임은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 상기 막 전극 접합체가 존재하지 않는 영역에 제2 애노드측 공급 구멍과, 제2 캐소드측 공급 구멍과, 제2 애노드측 배출 구멍과, 제2 캐소드측 배출 구멍을 가져도 된다. 상기 제3 프레임은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 상기 막 전극 접합체가 존재하지 않는 영역에 제3 애노드측 공급 구멍과, 제3 캐소드측 공급 구멍과, 제3 애노드측 배출 구멍과, 제3 캐소드측 배출 구멍을 가져도 된다. 상기 애노드측 다공질 유로는, 평면에서 보아 상기 제1 프레임의 상기 제1 애노드측 공급 구멍과 상기 제1 애노드측 배출 구멍을 접속해도 된다. 상기 캐소드측 다공질 유로는, 평면에서 보아 상기 제3 프레임의 상기 제3 캐소드측 공급 구멍과 상기 제3 캐소드측 배출 구멍을 접속해도 된다.
본 개시의 양태의 수전해 셀은, 내압성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소를 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술된다.
도 1은 본 개시의 실시 형태에 관한 수전해 셀의 일 예를 도시하는 사시 모식도이다.
도 2는 도 1에 도시한 수전해 셀의 II-II 단면 모식도이다.
도 3은 본 개시의 실시 형태에 관한 수전해 셀의 구성 부재의 일부의 일 예를 도시하는 평면 모식도이다.
도 1은 본 개시의 실시 형태에 관한 수전해 셀의 일 예를 도시하는 사시 모식도이다.
도 2는 도 1에 도시한 수전해 셀의 II-II 단면 모식도이다.
도 3은 본 개시의 실시 형태에 관한 수전해 셀의 구성 부재의 일부의 일 예를 도시하는 평면 모식도이다.
이하, 본 개시에 의한 실시 형태를 설명한다. 또한, 본 명세서에 있어서 특별히 언급하고 있는 사항 이외의 사항이며 본 개시의 실시에 필요한 사항(예를 들어, 본 개시를 특징짓지 않는 수전해 셀의 일반적인 구성 및 제조 프로세스)은, 당해 분야에 있어서의 종래 기술에 기초하는 당업자의 설계 사항으로서 파악될 수 있다. 본 개시는, 본 명세서에 개시되어 있는 내용과 당해 분야에 있어서의 기술 상식에 기초하여 실시할 수 있다. 또한, 도면에 있어서의 치수 관계(길이, 폭, 두께 등)는 실제의 치수 관계를 반영하는 것은 아니다. 본 명세서에 있어서 수치 범위를 나타내는 「내지」란, 그 전후에 기재된 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 의미로 사용된다. 또한, 수치 범위에 있어서의 상한값과 하한값은 임의의 조합을 채용할 수 있다.
본 개시에 의한 실시 형태는, 수전해 셀을 제공한다. 상기 수전해 셀은, 애노드측 다공질 유로와, 막 전극 접합체와, 캐소드측 다공질 유로를 이 순으로 갖는다. 상기 수전해 셀은, 상기 애노드측 다공질 유로의 상기 막 전극 접합체 측과는 반대 측, 및, 상기 캐소드측 다공질 유로의 상기 막 전극 접합체 측과는 반대 측 중 적어도 어느 한쪽 측에 세퍼레이터를 갖는다. 상기 막 전극 접합체는, 상기 애노드측 다공질 유로측으로부터 순서대로 애노드 촉매층과, 전해질막과, 캐소드 촉매층을 갖는다. 상기 애노드측 다공질 유로의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 상기 캐소드측 다공질 유로의 면방향의 면적보다도 크다.
수전해 셀의 구조에 있어서, 내압 설계를 할 때, 메탈 세퍼레이터와 같은 프레스 성형된 구조에 의해 간극이 발생하기 쉬운 재료를 적용한 경우, 수소극에 가해지는 압력과 산소극에 가해지는 압력의 차압, 및, 수전해 셀에 가해지는 전체 압에 의해 세퍼레이터가 변형되어, 내압 성능을 확보하는 것이 곤란하다. 상기 차압이 발생하였을 때, 간극이 존재하면, 지지하는 지지체가 없는 경우에 고압측으로부터 눌려지는 저압측의 부재가 압력에 의한 국소적인 굽힘 응력, 및, 신장 응력 등에 의해 대미지를 받아, 가스 누설의 원인이 된다. 즉, 고압측으로부터 저압측으로의 차압이 발생할 때의 간극이 응력을 발생시키기 때문에, 간극을 최대한 없애는 구조로 하는 것이 바람직하다. 또한, 매니폴드가 되는 구멍에 인접하는 유체 도입부 및 유체 도출부의 영역에 있어서 공간이 발생하기 때문에, 넓은 간극이 발생하지 않는 구조로 하는 것이 바람직하다.
본 개시에 의한 실시 형태의 수전해 셀에 있어서는, 다공질(3D 파인 메시를 포함함) 유로를 수소극 측 및 산소극 측에 배치하고, 평면에서 보아 유체 도입부로부터 막 전극 접합체를 거쳐 유체 도출부까지의 영역에 다공질 유로를 형성한다. 유체 도입부 및 유체 도출부의 영역에 다공질 유로를 형성함으로써, 유체 도입부 및 유체 도출부의 영역에 공간이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 수전해 셀의 구조 내부에 발생하는 간극을 최대한 없애, 수전해 셀에 가해지는 전체 압에 대한 내압성을 높일 수 있다. 또한, 본 개시에 의한 실시 형태의 수전해 셀에 있어서는, 세퍼레이터와 프레임을 사용하여 내압 구조를 고려하여 수전해 셀의 설계를 할 때, 압력이 높은 수소극 측의 구성 부재를 작게 하고, 압력이 낮은 산소극 측의 구성 부재를 크게 함으로써 구성 부재간의 간극을 최대한 없애, 간극에 발생하는 차압 응력을 저감한다. 압력이 낮은 산소극 측에 간극을 마련하지 않기 때문에, 압력이 높은 수소극 측으로부터 압력이 낮은 산소극 측으로의 부재의 간극으로의 침입을 억제할 수 있다.
본 개시에 의한 실시 형태의 수전해 셀은, 이하와 같이, 애노드(산소극)에 공급된 물을 전해하여, 애노드로부터 산소가 발생하고, 캐소드(수소극)로부터 수소가 발생한다.
애노드: H2O→2H++1/2O2+2e-
캐소드: 2H++2e-→H2
본 개시에 의한 실시 형태의 수전해 셀은, 당해 수전해 셀 내의 수소극의 압력을, 산소극의 압력보다도 높게 해도 된다. 수전해 셀은, 당해 수전해 셀을 복수 적층하여 이루어지는 적층체인 수전해 셀 스택으로 해도 된다. 수전해 셀의 적층수는 특별히 한정되지는 않고, 예를 들어, 2 내지 수백개여도 된다.
수전해 셀은, 애노드측 다공질 유로와, 막 전극 접합체(MEA)와, 캐소드측 다공질 유로를 이 순으로 갖는다.
막 전극 접합체는, 애노드 촉매층과, 전해질막과, 캐소드 촉매층을 이 순으로 갖는다.
본 개시에 의한 실시 형태에 있어서의 캐소드(수소극)는, 캐소드 촉매층을 포함한다. 본 개시에 의한 실시 형태에 있어서의 애노드(산소극)는, 애노드 촉매층을 포함한다.
캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층을 통합하여 촉매층이라 칭한다. 촉매층은, 예를 들어 수전해를 촉진하는 촉매 금속, 프로톤 전도성을 갖는 전해질, 및, 전자 전도성을 갖는 담체 등을 구비하고 있어도 된다. 촉매 금속으로서는, 예를 들어 이리듐(Ir), 이산화이리듐(IrO2), 루테늄(Ru), 백금(Pt), 및, Pt와 다른 금속으로 이루어지는 합금(예를 들어 코발트 및 니켈 등을 혼합한 Pt 합금) 등을 사용할 수 있다. 애노드 촉매층은, 촉매 금속으로서 예를 들어, Ir, IrO2, 및, Ru 등을 사용해도 되고, 캐소드 촉매층은, 촉매 금속으로서, 예를 들어 Pt, 및, Pt 합금 등을 사용해도 된다. 전해질로서는, 불소계 수지 등이어도 된다. 불소계 수지로서는, 예를 들어 나피온 용액 등을 사용해도 된다. 상기 촉매 금속은 담체 상에 담지되어 있고, 각 촉매층에서는, 촉매 금속을 담지한 담체(촉매 담지 담체)와 전해질이 혼재되어 있어도 된다. 촉매 금속을 담지하기 위한 담체는, 예를 들어 일반적으로 시판되고 있는 카본 등의 탄소 재료 등을 들 수 있다.
전해질막은, 2개의 촉매층에 의해 사이에 끼워져 지지된다. 2개의 촉매층은 한쪽이, 캐소드 촉매층이며, 다른 한쪽이 애노드 촉매층이다. 전해질막은, 고체 고분자 전해질막이어도 된다. 고체 고분자 전해질막으로서는, 예를 들어 수분이 포함된 퍼플루오로술폰산의 박막 등의 불소계 전해질막, 및, 탄화수소계 전해질막 등을 들 수 있다. 전해질막으로서는, 예를 들어 나피온막(듀퐁사제) 등이어도 된다.
애노드측 다공질 유로 및 캐소드측 다공질 유로를 통합하여 다공질 유로라 칭한다. 다공질 유로는, 가스 투과성, 즉, 기공을 갖는 도전성 부재 등이어도 된다. 도전성 부재로서는, 예를 들어 카본 클로스, 및 카본 페이퍼 등의 카본 다공질체, 그리고, 3D 파인 메시, 금속 메시, 및, 발포 금속 등의 금속 다공질 부재 등을 들 수 있다. 애노드측 다공질 유로와 캐소드측 다공질 유로의 각각의 다공질 유로는, 금속 다공질 부재로 구성되어도 된다. 다공질 유로는, 1 내지 수백㎛의 기공을 갖고 있어도 된다. 다공질 유로는, 가스 확산층으로서의 기능을 구비하는 것이어도 된다.
애노드측 다공질 유로와 애노드 촉매층 사이에는, 애노드측 가스 확산층이 배치되어도 된다. 캐소드측 다공질 유로와 캐소드 촉매층 사이에는, 캐소드측 가스 확산층이 배치되어도 된다. 애노드측 가스 확산층 및 캐소드측 가스 확산층을 통합하여 가스 확산층이라 칭한다. 가스 확산층은, 다공질 유로에 있어서 예시하는 도전성 부재 등이어도 된다. 애노드측 가스 확산층과, 막 전극 접합체와, 캐소드측 가스 확산층을 통합하여 막 전극 가스 확산층 접합체(MEGA)라 칭한다.
수전해 셀은, 애노드측 다공질 유로를 수용하는 제1 개구부를 갖는 제1 프레임과, 막 전극 접합체 또는 막 전극 가스 확산층 접합체를 수용하는 제2 개구부를 갖는 제2 프레임과, 캐소드측 다공질 유로를 수용하는 제3 개구부를 갖는 제3 프레임을 갖고 있어도 된다. 제1 프레임, 제2 프레임, 및, 제3 프레임을 통합하여 프레임이라 칭한다. 프레임의 개구부는, 프레임의 중앙에 갖고 있어도 된다. 제1 개구부는, 평면에서 보아 캐소드측 다공질 유로를 수용하는 제3 개구부보다도 면방향의 면적이 크다. 제2 개구부의 면방향의 면적은, 제1 개구부의 면방향의 면적과 동일하거나, 또는, 제3 개구부의 면방향의 면적과 동일해도 된다. 제2 개구부의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 제1 개구부의 면방향의 면적보다도 작고, 또한, 제3 개구부의 면방향의 면적보다도 커도 된다.
제2 프레임의 제2 개구부의 주연부의 형상은, 막 전극 접합체의 형상 또는 막 전극 가스 확산층 접합체의 형상과 감합하는 형상이어도 된다. 막 전극 접합체의 형상 또는 막 전극 가스 확산층 접합체의 형상이 계단상인 경우에는, 당해 계단상의 막 전극 접합체 또는 당해 계단상의 막 전극 가스 확산층 접합체가 감합하도록 제2 개구부의 주연부의 형상은, 계단상이어도 된다. 또한, 제2 프레임은, 막 전극 접합체 또는 막 전극 가스 확산층 접합체를 구성하는 각 부재의 형상에 맞춘 개구부를 갖는 프레임을 적층한 복합 프레임이어도 된다. 예를 들어, 제2 프레임이 막 전극 가스 확산층 접합체를 수용하는 경우에 있어서, 애노드측 가스 확산층과 막 전극 접합체의 복합체의 면방향의 면적이, 캐소드측 가스 확산층의 면방향의 면적보다도 큰 경우, 복합체의 형상에 맞춘 제4 개구부를 갖는 제4 프레임과, 캐소드측 가스 확산층의 형상에 맞춘 제5 개구부를 갖는 제5 프레임을 적층하여, 제2 프레임으로 해도 된다.
수전해 셀은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 막 전극 접합체가 존재하지 않는 영역에 애노드측 공급 구멍, 캐소드측 공급 구멍, 애노드측 배출 구멍, 캐소드측 배출 구멍 등의 매니폴드가 되는 구멍을 갖고 있어도 된다. 프레임은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 막 전극 접합체가 존재하지 않는 영역에 애노드측 공급 구멍, 캐소드측 공급 구멍, 애노드측 배출 구멍, 캐소드측 배출 구멍 등의 매니폴드가 되는 구멍을 가져도 된다. 즉, 제1 프레임은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 막 전극 접합체가 존재하지 않는 영역에 제1 애노드측 공급 구멍과, 제1 캐소드측 공급 구멍과, 제1 애노드측 배출 구멍과, 제1 캐소드측 배출 구멍을 갖는다. 제2 프레임은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 막 전극 접합체가 존재하지 않는 영역에 제2 애노드측 공급 구멍과, 제2 캐소드측 공급 구멍과, 제2 애노드측 배출 구멍과, 제2 캐소드측 배출 구멍을 갖는다. 제3 프레임은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 막 전극 접합체가 존재하지 않는 영역에 제3 애노드측 공급 구멍과, 제3 캐소드측 공급 구멍과, 제3 애노드측 배출 구멍과, 제3 캐소드측 배출 구멍을 갖는다. 제1 프레임, 제2 프레임, 및, 제3 프레임의 각 프레임의 각 애노드측 공급 구멍, 각 캐소드측 공급 구멍, 각 애노드측 배출 구멍, 각 캐소드측 배출 구멍은, 연통하도록 위치 정렬하여 배치되어 있어도 된다. 즉, 제1 애노드측 공급 구멍과, 제2 애노드측 공급 구멍과, 제3 애노드측 공급 구멍은, 연통하도록 위치 정렬하여 배치되어 있어도 된다. 제1 애노드측 배출 구멍과, 제2 애노드측 배출 구멍과, 제3 애노드측 배출 구멍은, 연통하도록 위치 정렬하여 배치되어 있어도 된다. 제1 캐소드측 공급 구멍과, 제2 캐소드측 공급 구멍과, 제3 캐소드측 공급 구멍은, 연통하도록 위치 정렬하여 배치되어 있어도 된다. 제1 캐소드측 배출 구멍과, 제2 캐소드측 배출 구멍과, 제3 캐소드측 배출 구멍은, 연통하도록 위치 정렬하여 배치되어 있어도 된다. 제1 프레임의 제1 애노드측 공급 구멍과, 제1 개구부와, 제1 애노드측 배출 구멍은 평면에서 보아, 면방향으로 연통하여, 1개의 연통 구멍을 형성하고 있어도 된다. 제3 프레임의 제3 캐소드측 공급 구멍과, 제3 개구부와, 제3 캐소드측 배출 구멍은 평면에서 보아, 면방향으로 연통하여, 1개의 연통 구멍을 형성하고 있어도 된다.
프레임은, 접착성, 가스 시일성, 절연성을 갖는 구조 부재여도 된다. 프레임의 재료는, 예를 들어 폴리에스테르계 및 변성 올레핀계 등의 열가소성 수지여도 되고, 변성 에폭시 수지인 열경화성 수지여도 된다. 프레임의 재료는, EPDM(에틸렌프로필렌디엔 고무), 불소계 고무, 실리콘계 고무 등의 탄성 기능을 갖는 고무재여도 된다. 프레임의 두께는, 절연성을 담보하는 관점에서, 5㎛ 이상이어도 되고, 20㎛ 이상이어도 되고, 수전해 셀 두께를 저감하는 관점에서, 200㎛ 이하여도 되고, 150㎛ 이하여도 된다. 제1 프레임, 제2 프레임, 및, 제3 프레임은, 각각, 동종의 수지로 구성되어 있어도 되고, 다른 종류의 수지로 구성되어 있어도 된다. 제1 프레임, 제2 프레임, 및, 제3 프레임은, 각각 접착 기능을 갖고 있어도 된다. 제1 프레임, 제2 프레임, 및, 제3 프레임 중 적어도 하나의 프레임은, 탄성 기능을 갖고 있어도 된다.
애노드측 다공질 유로는, 애노드측 공급 구멍과 애노드측 배출 구멍을 접속해도 된다. 캐소드측 다공질 유로는, 캐소드측 공급 구멍과 캐소드측 배출 구멍을 접속해도 된다. 구체적으로는, 애노드측 다공질 유로는, 평면에서 보아 제1 프레임의 제1 애노드측 공급 구멍과 제1 애노드측 배출 구멍을 접속해도 된다. 캐소드측 다공질 유로는, 평면에서 보아 제3 프레임의 제3 캐소드측 공급 구멍과 제3 캐소드측 배출 구멍을 접속해도 된다.
수전해 셀은, 애노드측 다공질 유로의 막 전극 접합체 측과는 반대 측, 및, 캐소드측 다공질 유로의 막 전극 접합체 측과는 반대 측 중 적어도 어느 한쪽 측에 세퍼레이터를 갖는다. 수전해 셀은, 애노드측 다공질 유로의 막 전극 접합체 측과는 반대 측에 애노드 세퍼레이터를 갖고 있어도 된다. 수전해 셀은, 캐소드측 다공질 유로의 막 전극 접합체 측과는 반대 측에 캐소드 세퍼레이터를 갖고 있어도 된다. 애노드 세퍼레이터와 캐소드 세퍼레이터를 통합하여 세퍼레이터라 한다. 세퍼레이터는, 반응수, 산소, 수소, 및 냉각 매체 등의 유체를 수전해 셀의 적층 방향으로 유통시키기 위한 공급 구멍 및 배출 구멍 등의 매니폴드가 되는 구멍을 갖고 있어도 된다. 반응수 및 냉각 매체로서는, 물 등을 사용할 수 있다. 공급 구멍은, 애노드 공급 구멍, 캐소드 공급 구멍, 및, 냉각 매체 공급 구멍 등을 들 수 있다. 배출 구멍은, 애노드 배출 구멍, 캐소드 배출 구멍 및 냉각 매체 배출 구멍 등을 들 수 있다. 세퍼레이터는, 가스 확산층에 접하는 면에 반응수, 산소, 수소 등의 반응 유체의 유로를 갖고 있어도 된다. 또한, 세퍼레이터는, 가스 확산층에 접하는 면과는 반대 측의 면에 수전해 셀의 온도를 일정하게 유지하기 위한 냉각 매체의 유로를 갖고 있어도 된다. 세퍼레이터는, 반응 유체의 유로, 및, 냉각 매체의 유로를 갖지 않는 평판이어도 된다. 애노드 세퍼레이터는, 애노드측 다공질 유로에 접하는 면에 반응수, 산소 등의 애노드 유체의 유로를 갖고 있어도 된다. 또한, 애노드 세퍼레이터는, 애노드측 다공질 유로에 접하는 면과는 반대 측의 면에 수전해 셀의 온도를 일정하게 유지하기 위한 냉각 매체의 유로를 갖고 있어도 된다. 애노드 세퍼레이터는, 애노드 유체의 유로, 및, 냉각 매체의 유로를 갖지 않는 평판이어도 된다. 캐소드 세퍼레이터는, 캐소드측 다공질 유로에 접하는 면에 수소 등의 캐소드 유체의 유로를 갖고 있어도 된다. 또한, 캐소드 세퍼레이터는, 캐소드측 다공질 유로에 접하는 면과는 반대 측의 면에 수전해 셀의 온도를 일정하게 유지하기 위한 냉각 매체의 유로를 갖고 있어도 된다. 캐소드 세퍼레이터는, 캐소드 유체의 유로, 및, 냉각 매체의 유로를 갖지 않는 평판이어도 된다. 세퍼레이터는, 가스 불투과의 도전성 부재 등이어도 된다. 가스 불투과의 도전성 부재로서는, 예를 들어 열경화 수지, 열 가소 수지, 및, 수지 섬유 등의 수지재와, 카본 분말, 및, 카본 섬유 등의 카본재를 압축하여 가스 불투과로 한 치밀질 카본, 및, 프레스 성형한 금속(예를 들어, 티타늄 및 스테인리스 등)판 등이어도 된다. 세퍼레이터의 형상은, 직사각형, 가로가 긴 6각형, 가로가 긴 8각형, 원형, 및, 타원 형상 등이어도 된다.
산소극의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 수소극의 면방향의 면적과 동일해도 되고, 커도 된다. 구체적으로는, 애노드 촉매층의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 캐소드 촉매층의 면방향의 면적과 동일해도 되고, 캐소드 촉매층의 면방향의 면적보다도 크고, 또한, 평면에서 보아 애노드 촉매층의 에지부가, 전체 둘레에 걸쳐, 캐소드 촉매층의 에지부보다도 외측에 위치하고 있어도 된다. 전해질막의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 애노드 촉매층의 면방향의 면적과 동일해도 된다.
애노드측 다공질 유로의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 캐소드측 다공질 유로의 면방향의 면적보다도 크다. 애노드측 다공질 유로의 막 전극 접합체와 대향하는 영역의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 캐소드측 다공질 유로의 막 전극 접합체와 대향하는 영역의 면방향의 면적보다도 크고, 또한, 애노드측 다공질 유로의 막 전극 접합체와 대향하는 영역의 에지부가, 전체 둘레에 걸쳐, 캐소드측 다공질 유로의 막 전극 접합체와 대향하는 영역의 에지부보다도 외측에 위치하고 있어도 된다. 애노드측 다공질 유로의 막 전극 접합체와 대향하지 않는 영역의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 캐소드측 다공질 유로의 막 전극 접합체와 대향하지 않는 영역의 면방향의 면적과 동일해도 되고, 커도 된다. 본 개시에 의한 실시 형태에 있어서, 다공질 유로의 막 전극 접합체와 대향하지 않는 영역이란, 평면에서 보아 수전해 셀의 매니폴드가 되는 구멍으로부터 막 전극 접합체에 이르기까지의 영역이며, 다공질 유로가 배치되어 있는 영역이다. 다공질 유로의 막 전극 접합체와 대향하지 않는 영역은, 유체 도입부의 영역 또는 유체 도출부의 영역이다. 유체 도입부 및 유체 도출부를 통합하여 유체 도출입부라 칭한다. 애노드측 다공질 유로의 막 전극 접합체와 대향하지 않는 영역은, 평면에서 보아 애노드측 공급 구멍으로부터 막 전극 접합체에 이르기까지의 영역이며, 애노드측 다공질 유로가 배치되어 있는 영역, 즉 유체 도입부의 영역과, 평면에서 보아 애노드측 배출 구멍으로부터 막 전극 접합체에 이르기까지의 영역이며, 애노드측 다공질 유로가 배치되어 있는 영역, 즉 유체 도출부의 영역이다. 캐소드측 다공질 유로의 막 전극 접합체와 대향하지 않는 영역은, 평면에서 보아 캐소드측 공급 구멍으로부터 막 전극 접합체에 이르기까지의 영역이며, 캐소드측 다공질 유로가 배치되어 있는 영역, 즉 유체 도입부의 영역과, 평면에서 보아 캐소드측 배출 구멍으로부터 막 전극 접합체에 이르기까지의 영역이며, 캐소드측 다공질 유로가 배치되어 있는 영역, 즉 유체 도출부의 영역이다. 막 전극 접합체의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 캐소드측 다공질 유로의 면방향의 면적보다도 크고, 또한, 애노드측 다공질 유로의 면방향의 면적보다도 작아도 된다. 수전해 셀의 막 전극 접합체가 존재하는 영역은 피라미드 형상으로 되어 있어도 된다.
애노드측 다공질 유로의 면방향의 면적은, 애노드측 가스 확산층의 면방향의 면적보다도 커도 된다. 캐소드측 다공질 유로의 면방향의 면적은, 캐소드측 가스 확산층의 면방향의 면적보다도 작아도 된다. 애노드측 가스 확산층의 면방향의 면적은, 캐소드측 가스 확산층의 면방향의 면적보다도 크고, 또한, 평면에서 보아 애노드측 가스 확산층의 에지부가, 전체 둘레에 걸쳐, 캐소드측 가스 확산층의 에지부보다도 외측에 위치하고 있어도 된다. 애노드측 가스 확산층의 면방향의 면적은, 애노드 촉매층의 면방향의 면적과 동일해도 되고, 애노드 촉매층의 면방향의 면적보다도 크고, 또한, 평면에서 보아 애노드측 가스 확산층의 에지부가, 전체 둘레에 걸쳐, 애노드 촉매층의 에지부보다도 외측에 위치하고 있어도 된다. 캐소드 촉매층의 면방향의 면적은, 캐소드측 가스 확산층의 면방향의 면적과 동일해도 되고, 캐소드측 가스 확산층의 면방향의 면적보다도 크고, 또한, 평면에서 보아 캐소드 촉매층의 에지부가, 전체 둘레에 걸쳐, 캐소드측 가스 확산층의 에지부보다도 외측에 위치하고 있어도 된다.
도 1은 본 개시의 실시 형태에 관한 수전해 셀의 일 예를 도시하는 사시 모식도이다. 도 1에서 도시한 바와 같이, 본 개시의 실시 형태에 관한 수전해 셀(100)은, 애노드측 다공질 유로(10)와, 막 전극 가스 확산층 접합체(20)와, 캐소드측 다공질 유로(30)와, 애노드 세퍼레이터(40)를 갖는다. 수전해 셀(100)은, 애노드측 다공질 유로(10)를 수용하는 제1 개구부를 갖는 제1 프레임(11)과, 막 전극 가스 확산층 접합체(20)를 수용하는 제2 개구부를 갖는 제2 프레임(21)과, 캐소드측 다공질 유로(30)를 수용하는 제3 개구부를 갖는 제3 프레임(31)을 갖는다. 애노드측 다공질 유로(10) 및 캐소드측 다공질 유로(30)는, 도 1에 있어서 쇄선의 원으로 나타내는 영역인 유체 도출입부(50)의 영역에도 배치되어 있다.
도 2는 도 1에 도시한 수전해 셀의 II-II 단면 모식도이다. 도 2에 있어서 도 1과 동일한 구성에 대해서는, 동일한 번호를 붙이고, 그 설명은 생략한다. 막 전극 가스 확산층 접합체(20)는, 애노드측 가스 확산층(22), 막 전극 접합체(23), 캐소드측 가스 확산층(24)을 갖는다. 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 각 구성 부재의 면방향의 면적은, 애노드측 다공질 유로(10), 애노드측 가스 확산층(22), 막 전극 접합체(23), 캐소드측 가스 확산층(24), 캐소드측 다공질 유로(30)의 순으로 작고, 수전해 셀(100)은, 막 전극 접합체(23)가 배치되는 영역에 있어서 피라미드 형상을 갖고 있다. 이에 의해 구성 부재간의 간극을 최대한 없애, 간극에 발생하는 차압 응력을 저감할 수 있다. 압력이 낮은 산소극 측에 간극을 마련하지 않기 때문에, 압력이 높은 수소극 측으로부터 압력이 낮은 산소극 측으로의 부재의 간극으로의 침입을 억제할 수 있어, 내압성을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 개시의 실시 형태에 관한 수전해 셀의 구성 부재의 일부의 일 예를 도시하는 평면 모식도이다. 도 3에 있어서 도 1과 동일한 구성에 대해서는, 동일한 번호를 붙이고, 그 설명은 생략한다. 제1 프레임(11)은, 제1 애노드측 공급 구멍(61)과, 제1 애노드측 배출 구멍(62)과, 제1 캐소드측 공급 구멍(63)과, 제1 캐소드측 배출 구멍(64)을 갖는다. 제2 프레임(21)은, 제2 애노드측 공급 구멍(71)과, 제2 애노드측 배출 구멍(72)과, 제2 캐소드측 공급 구멍(73)과, 제2 캐소드측 배출 구멍(74)을 갖는다. 제3 프레임(31)은, 제3 애노드측 공급 구멍(81)과, 제3 애노드측 배출 구멍(82)과, 제3 캐소드측 공급 구멍(83)과, 제3 캐소드측 배출 구멍(84)을 갖는다. 제1 프레임(11)의 제1 애노드측 공급 구멍(61)과, 애노드측 다공질 유로(10)를 수용하는 제1 개구부와, 제1 애노드측 배출 구멍(62)은, 면방향으로 연통하여, 1개의 연통 구멍을 형성하고 있다. 제3 프레임(31)의 제3 캐소드측 공급 구멍(83)과, 캐소드측 다공질 유로(30)를 수용하는 제3 개구부와, 제3 캐소드측 배출 구멍(84)은, 면방향으로 연통하여, 1개의 연통 구멍을 형성하고 있다. 애노드측 다공질 유로(10) 및 캐소드측 다공질 유로(30)는, 쇄선의 원으로 나타내는 영역인 유체 도입부(51)의 영역 및 유체 도출부(52)의 영역에도 배치되어 있다. 애노드측 다공질 유로(10)는, 제1 프레임(11)의 제1 애노드측 공급 구멍(61)과 제1 애노드측 배출 구멍(62)을 접속한다. 캐소드측 다공질 유로(30)는, 제3 프레임(31)의 제3 캐소드측 공급 구멍(83)과 제3 캐소드측 배출 구멍(84)을 접속한다.
Claims (5)
- 수전해 셀(100)이며,
애노드측 다공질 유로(10)와,
막 전극 접합체(23)와,
캐소드측 다공질 유로(30)와,
상기 애노드측 다공질 유로(10)의 상기 막 전극 접합체(23) 측과는 반대 측, 및, 상기 캐소드측 다공질 유로(30)의 상기 막 전극 접합체(23) 측과는 반대 측 중 적어도 어느 한쪽 측에 배치된 세퍼레이터(40)를 갖고,
상기 애노드측 다공질 유로(10)와, 상기 막 전극 접합체(23)와, 상기 캐소드측 다공질 유로(30)가 이 순으로 배치되고,
상기 막 전극 접합체(23)는, 상기 애노드측 다공질 유로(10) 측으로부터 순서대로 애노드 촉매층과, 전해질막과, 캐소드 촉매층을 갖고,
상기 애노드측 다공질 유로(10)의 면방향의 면적은, 평면에서 보아 상기 캐소드측 다공질 유로(30)의 면방향의 면적보다도 큰, 수전해 셀(100). - 제1항에 있어서,
상기 수전해 셀(100)은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 상기 막 전극 접합체(23)가 존재하지 않는 영역에 애노드측 공급 구멍(61, 71, 81)과, 캐소드측 공급 구멍(63, 73, 83)과, 애노드측 배출 구멍(62, 72, 82)과, 캐소드측 배출 구멍(64, 74, 84)을 갖고,
상기 애노드측 다공질 유로(10)는, 상기 애노드측 공급 구멍(61, 71, 81)과 상기 애노드측 배출 구멍(62, 72, 82)을 접속하고,
상기 캐소드측 다공질 유로(30)는, 상기 캐소드측 공급 구멍(63, 73, 83)과 상기 캐소드측 배출 구멍(64, 74, 84)을 접속하는, 수전해 셀(100). - 제1항에 있어서,
상기 수전해 셀(100)은,
상기 애노드측 다공질 유로(10)를 수용하는 제1 개구부를 갖는 제1 프레임(11)과,
상기 막 전극 접합체(23)를 수용하는 제2 개구부를 갖는 제2 프레임(21)과,
상기 캐소드측 다공질 유로(30)를 수용하는 제3 개구부를 갖는 제3 프레임(31)을 더 구비하고,
상기 제1 프레임(11)은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 상기 막 전극 접합체(23)가 존재하지 않는 영역에 제1 애노드측 공급 구멍(61)과, 제1 캐소드측 공급 구멍(63)과, 제1 애노드측 배출 구멍(62)과, 제1 캐소드측 배출 구멍(64)을 갖고,
상기 제2 프레임(21)은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 상기 막 전극 접합체(23)가 존재하지 않는 영역에 제2 애노드측 공급 구멍(71)과, 제2 캐소드측 공급 구멍(73)과, 제2 애노드측 배출 구멍(72)과, 제2 캐소드측 배출 구멍(74)을 갖고,
상기 제3 프레임(31)은, 평면에서 보아 면방향의 단부 또한 상기 막 전극 접합체(23)가 존재하지 않는 영역에 제3 애노드측 공급 구멍(81)과, 제3 캐소드측 공급 구멍(83)과, 제3 애노드측 배출 구멍(82)과, 제3 캐소드측 배출 구멍(84)을 갖고,
상기 애노드측 다공질 유로(10)는, 평면에서 보아 상기 제1 프레임(11)의 상기 제1 애노드측 공급 구멍(61)과 상기 제1 애노드측 배출 구멍(62)을 접속하고,
상기 캐소드측 다공질 유로(30)는, 평면에서 보아 상기 제3 프레임(31)의 상기 제3 캐소드측 공급 구멍(83)과 상기 제3 캐소드측 배출 구멍(84)을 접속하는, 수전해 셀 (100). - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드측 다공질 유로(10)와 상기 캐소드측 다공질 유로(30)는, 금속 다공질 부재로 구성되는, 수전해 셀(100). - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 수전해 셀(100)은,
상기 애노드측 다공질 유로(10)와 상기 애노드 촉매층 사이에 배치된, 애노드측 가스 확산층(22)과,
상기 캐소드측 다공질 유로(30)와 상기 캐소드 촉매층 사이에 배치된, 캐소드측 가스 확산층(24)을 더 구비하고,
상기 애노드측 다공질 유로(10)의 면방향의 면적은, 상기 애노드측 가스 확산층(22)의 면방향의 면적보다도 크고,
상기 캐소드측 다공질 유로(30)의 면방향의 면적은, 상기 캐소드측 가스 확산층(24)의 면방향의 면적보다도 작고,
상기 애노드측 가스 확산층(22)의 면방향의 면적은, 상기 캐소드측 가스 확산층(24)의 면방향의 면적보다도 크고, 또한, 평면에서 보아 상기 애노드측 가스 확산층(22)의 에지부가, 전체 둘레에 걸쳐, 상기 캐소드측 가스 확산층(24)의 에지부보다도 외측에 위치하고 있는, 수전해 셀(100).
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