KR101198417B1 - Pressurizing mat and electrochemical cell comprising the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기분해 셀 내 구성 요소간에 전기분해 셀의 활성 면적을 기준으로 구성요소 사이에 평면성과 평행성을 자동적으로 유지할 수 있는 압력 매트 및 이를 포함하는 전기분해 셀에 관한 것이다. 이를 통하여, 전기분해 셀 내의 압력 분포와 전압 분포의 균일성을 증대시켜 결국 전기분해 셀의 최종 성능을 향상시킬 수 있으며, 또한 본 발명은 전기분해 셀 구성요소들(예를 들면, 분리판)의 정밀한 평면성과 평행성을 제공하기 위해서는 정밀하고 코스트가 높은 기계 가공이 필요하지 않아 전기분해 셀의 제작 비용을 저감을 할 수 있다.The present invention relates to a pressure mat capable of automatically maintaining planarity and parallelism between components based on the active area of the electrolysis cell between components in the electrolysis cell and an electrolysis cell comprising the same. In this way, it is possible to increase the uniformity of the pressure distribution and the voltage distribution in the electrolysis cell, which in turn improves the final performance of the electrolysis cell, and the present invention also provides for the electrolysis cell components (eg, separator). Providing precise planarity and parallelism eliminates the need for precise and costly machining, thereby reducing the cost of manufacturing electrolysis cells.

Description

압력 매트 및 이를 포함하는 전기화학 셀{Pressurizing mat and electrochemical cell comprising the same}Pressure mat and electrochemical cell comprising the same

본 발명은 전해질을 전기화학적으로 분해하는 전기분해 셀에 관한 것이다. 여기서 전해질을 XY라고 하면 X는 알카리 금속(수소, 나트륨, 리튬, 칼륨 등) 또는 수소이온 등이며, Y는 염화물(불소, 염소, 요오드) 또는 아염소산, 질소이온 등이다. 이와 같은 조합으로 가능한 전해질은 예를 들면 물(H2O), 소금물(NaCl), 아염산나트륨(NaClO2), 염산(HCl) 등이 가능하다. The present invention relates to an electrolysis cell for electrochemically decomposing an electrolyte. In the case where the electrolyte is XY, X is an alkali metal (hydrogen, sodium, lithium, potassium, etc.) or hydrogen ion, and Y is chloride (fluorine, chlorine, iodine) or chlorine acid, nitrogen ion, or the like. Possible electrolytes in this combination are, for example, water (H 2 O), brine (NaCl), sodium chlorite (NaClO 2), hydrochloric acid (HCl) and the like.

본 발명는 더욱 상세히 설명하면 XY로 표현 가능한 전해질을 전기분해하는 전기분해 셀 내의 구성요소(예를 들면, 막-전극 접합체, 급전체 또는 전류 분배판, 분리판 등) 사이의 접촉 압력을 균일하게 유지하기 위한 이들 사이에 설치하는 전지전도성 및 압축성을 가지는 압력 매트에 관한 것이다.In more detail, the present invention maintains uniform contact pressure between components (eg, membrane-electrode assembly, feeder or current distribution plate, separator, etc.) in an electrolysis cell that electrolyzes an electrolyte that can be expressed as XY. The present invention relates to a pressure mat having battery conductivity and compressibility provided therebetween.

도 1은 일반적인 전기분해 셀(100)의 개념도이다. 전기분해 셀(100)은 양극(130)이 존재하는 양극실(140), 음극(110)이 존재하는 음극실(120), 양극과 음극사이에 이온교환막(150)으로 구성된다. 전기분해 셀 내의 반응 현상을 전해질 NaClO2을 양극실에 공급하여 이산화 염소(ClO2)를 제조하는 경우를 예로 설명하고자 한다. 전해질 NaClO2는 양극실(140)에 있는 양극(130)으로 공급되어 이산화염소 가스(ClO2)와 전자(e-) 그리고 나트륨이온(Na+)으로 분해되며 미반응된 NaClO2와 이산화 염소 가스(ClO2)은 전기분해 셀의 양극실(140) 외부로 유출된다. 분해된 나트륨이온(Na+)은 이온교환막(150)을 통과하여 음극(130)(수소극)으로 이동하며, 전자는 양극(130)과 음극(110)을 연결하는 외부회로(160)를 따라 이동한다. 음극실(120)에 순수를 공급하며, 음극(130)에서는 양극(130)에서 이동한 전자(e-)와 순수가 분해되어(환원반응), 수소가스(H2)와 수산이온이 분해된다. 수산이온(OH-)은 양극실(140)에서 이온교환막(150)을 통해 이동한 나트륨이온(Na+)과 반응하여 NaOH가 되고, 음극실(120) 외부로 유출된다.1 is a conceptual diagram of a general electrolysis cell 100. The electrolysis cell 100 includes an anode chamber 140 in which the anode 130 is present, a cathode chamber 120 in which the cathode 110 is present, and an ion exchange membrane 150 between the anode and the cathode. The reaction phenomenon in the electrolysis cell will be described as an example of preparing chlorine dioxide (ClO 2 ) by supplying electrolyte NaClO 2 to the anode chamber. The electrolyte NaClO 2 is supplied to the anode 130 in the anode chamber 140 and decomposed into chlorine dioxide gas (ClO 2 ), electrons (e − ), and sodium ions (Na + ), and unreacted NaClO 2 and chlorine dioxide gas. ClO 2 flows out of the anode chamber 140 of the electrolysis cell. The decomposed sodium ions (Na + ) move through the ion exchange membrane 150 to the cathode 130 (hydrogen electrode), and the electrons follow the external circuit 160 connecting the anode 130 and the cathode 110. Move. Pure water is supplied to the cathode chamber 120, and in the cathode 130, electrons (e − ) and pure water moved from the anode 130 are decomposed (reduction reaction), whereby hydrogen gas (H 2 ) and hydroxide ions are decomposed. . The hydroxyl ion (OH − ) reacts with sodium ions (Na + ), which are moved through the ion exchange membrane 150 in the anode chamber 140 to become NaOH, and flows out of the cathode chamber 120.

이 때, 양극(130)과 음극(110)에서 각각 일어나는 전기화학적 반응을 표현하면 반응식 1에서 반응식 4 까지와 같다. In this case, the electrochemical reactions occurring in the anode 130 and the cathode 110, respectively, are represented as in Scheme 1 through Scheme 4.

NaClO2 → Na+ + ClO2 - (전해질의 양극실에서의 해리) NaClO 2 → Na + + ClO 2 - ( dissociation in the anode chamber of the electrolyte)

ClO2 - → ClO2(gas) + e (양극에서의 산화반응) ClO 2 - → ClO 2 (gas ) + e ( oxidation at the positive electrode)

H2O + e → 1/2H2 + OH- (음극에서의 환원반응)H 2 O + e → 1 / 2H 2 + OH - (reducing reaction at the cathode)

Na+ + OH- → NaOH (음극에서의 가성소다 생성반응) Na + + OH - → NaOH (caustic soda produced at the cathode reaction)

소금물을 양극실로 공급하여 염소 가스를 생성하는 전기분해용 셀에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.In the electrolysis cell in which the brine is supplied to the anode chamber to generate chlorine gas, the following reaction occurs.

2Cl- → Cl2(gas) + 2e (양극의 산화반응) 2Cl - → Cl 2 (gas) + 2e ( oxidation of the positive electrode)

2H2O +2e → H2 + 2OH-(음극의 환원반응)2H 2 O + 2e → H 2 + 2OH - (reduction of the negative electrode)

Na+ + OH- → NaOH (음극에서의 가성소다 생성반응)Na + + OH - → NaOH (caustic soda produced at the cathode reaction)

NaCl+H2O →NaOH+1/2Cl2+1/2H2 (총괄반응)NaCl + H 2 O → NaOH + 1 / 2Cl 2 + 1 / 2H 2 (Total response)

아염소산나트륨 또는 소금물을 생산하는 전기분해 셀의 경우 약 0.01A/cm2 ~ 3A/cm2의 전류밀도에서 약 1.48 volts ~ 5.0 volts의 전압이 인가된다.For electrolytic cells producing sodium chlorite or brine, a voltage of about 1.48 volts to 5.0 volts is applied at a current density of about 0.01 A / cm 2 to 3 A / cm 2 .

도 2는 도 1의 전기화학적 원리를 구현하기 위한 일반적인 단위 전기분해 셀(200)의 구조도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 단위 전기분해 셀(200)은 이온 교환막(210)의 양쪽 전기화학적 산화 촉매(양극촉매, 230)와 환원촉매(수소촉매, 220)를 갖는 전극 촉매층이 물리화학적으로 결합되어 구성된다. 이온 교환막(210)과, 이온 교환막(210)의 양측에 전극 촉매(산화촉매, 환원촉매)가 물리적 또는 화학적으로 일체화된 구조체를 막전극접합체(240, Membrane and electrode assembly, 이하 MEA로 약칭함)라고 한다. 2 is a structural diagram of a general unit electrolysis cell 200 for implementing the electrochemical principle of FIG. As shown in FIG. 2, the unit electrolysis cell 200 includes an electrode catalyst layer having both electrochemical oxidation catalysts (anode catalyst 230) and a reduction catalyst (hydrogen catalyst 220) of the ion exchange membrane 210. Are constructed in combination. Membrane and electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) is a structure in which an ion exchange membrane 210 and an electrode catalyst (oxidation catalyst or reduction catalyst) are physically or chemically integrated on both sides of the ion exchange membrane 210. It is called.

양극실(232)은 산화반응이 일어나는 곳으로 전기화학 반응이 일어나는 양극(촉매)(230), 전기분해 셀을 유지하는 프레임(250)과 셀과 셀사이를 구분하는 분리판(260), 양극에 전류를 공급하기 위한 양극실 전류 분배판(270), 프레임(250)과 분리판(260)의 사이에 양극실(232) 내의 반응물과 생성물의 외부누설을 막는 가스켓(패킹)(280) 등으로 구성된다.The anode chamber 232 is an anode (catalyst) 230 in which an electrochemical reaction occurs, where a oxidation reaction occurs, a frame 250 for holding an electrolysis cell, and a separator 260 that separates a cell from a cell. An anode chamber current distribution plate 270 for supplying current to the gasket, a gasket (packing) 280 that prevents external leakage of reactants and products in the anode chamber 232 between the frame 250 and the separator 260. It consists of.

음극실(222)은 환원반응이 일어나는 곳으로 전기화학 반응이 일어나는 음극(촉매)(220), 전기분해 셀을 유지하는 프레임(252)과 셀과 셀사이를 구분하는 분리판(262, 260과 동일한 재질, 구조의 경우도 가능함), 음극에 전류를 공급하기 위한 음극실 전류 분배판(272), 프레임(250)과 분리판(262)의 사이에 음극실(222) 내의 반응물과 생성물의 외부누설을 막는 가스켓(패킹)(282) 등으로 구성된다.The cathode chamber 222 is a cathode (catalyst) 220 where the reduction reaction takes place, the frame 252 holding the electrolysis cell and the separator plates 262 and 260 separating the cell from the cell. Same material and structure), cathode chamber current distribution plate 272 for supplying current to the cathode, outside of reactants and products in cathode chamber 222 between frame 250 and separator 262 And a gasket (packing) 282 for preventing leakage.

전기분해 셀의 전해 면적 또는 활성 면적은 경제적 관점에서 최소한 0.1 m2, 그 이상을 필요로 하며, 원하는 생성물의 양을 얻기 위해서는 단위 전기분해 셀을 적층하여 조립한다. 전기분해 셀의 활성 면적(A)에서 구성 요소의 간의 접촉은 전기분해 셀의 활성 면적 부분 외각에 위치한 비활성 부분(B)의 볼트, 너트를 타이로드, 필터프레스, 기계적 잭 등에 의해 압착된다. The electrolytic area or active area of the electrolysis cell requires at least 0.1 m2, or more from an economic point of view, in order to assemble unit electrolysis cells in order to obtain the desired amount of product. Contact between the components in the active area A of the electrolysis cell is compressed by means of tie rods, filter presses, mechanical jacks or the like in the inactive part B located outside the active area portion of the electrolysis cell.

그러나 이 방법은 활성면적 부분(A)에서 전기분해 셀 구성요소간들의 평면성과 평행성을 유지하는 데는 다음과 같은 결점과 제약을 가지고 있다. However, this method has the following drawbacks and limitations in maintaining the planarity and parallelism between the electrolysis cell components in the active area part (A).

첫째로 구성요소간의 활성 면적(A)에 대한 접촉면의 균일성이 결여되면 접촉면의 압력이 큰 다수의 지점에서 전류의 집중이 발생하여 분극 형상, 막과 촉매 전극의 불활성화, 막의 국부적파손이 일어나 전기분해 셀 구성요소의 내구성을 급격히 떨어트리는 원인이 된다.First, the lack of uniformity of the contact surface with respect to the active area (A) between the components results in concentration of current at many points where the pressure of the contact surface is large, resulting in polarization, inactivation of the membrane and catalyst electrode, and local breakage of the membrane. It causes a drastic decline in the durability of the electrolysis cell components.

둘째로, 전해조 구성요소들(예를 들면, 분리판)에 정밀한 평면성과 평행성을 제공하기 위해서는 정밀하고 코스트가 높은 기계 가공을 필요로 하며, 정밀도가 상승하면 제조원가가 급격히 상승하는 문제가 발생한다.Secondly, providing precise planarity and parallelism to electrolyzer components (e.g. separators) requires precise and costly machining, and as precision increases, manufacturing costs rise rapidly. .

본 발명은 전기분해 셀 내 구성 요소간에 전기분해 셀의 활성 면적을 기준으로 구성요소 사이에 평면성과 평행성을 자동적으로 유지하는 데는 방안을 제공하는 데 목적이 있다.It is an object of the present invention to provide a method for automatically maintaining planarity and parallelism between components based on the active area of the electrolysis cell between components in the electrolysis cell.

또한 본 발명은 전기분해 셀 구성요소들(예를 들면, 분리판)의 정밀한 평면성과 평행성을 제공하기 위해서는 정밀하고 코스트가 높은 기계 가공이 필요하지 않아 전기분해 셀의 제작 비용을 저감을 할 수 있는 방안을 제공하는데 목적이 있다.In addition, the present invention does not require precise and expensive machining to provide precise planarity and parallelism of the electrolysis cell components (eg, separator), thereby reducing the manufacturing cost of the electrolysis cell. The purpose is to provide a solution.

본 발명의 전해셀은 이온교환막과 접촉된 양측의 전극(양극 과 음극), 또 막과 전극을 지지하고, 전기 전도성과 전기화학 반응에서 생성된 가스 및 전해질이 통과가 가능한 급전체 또는 전류분배판, 급전체를 지지하고 접촉 환경에 따라 용이하게 압축될 수 있는 탄력성을 가지며 전해조의 조임압력(clamping pressure)에 따라 균일하게 MEA 표면 전체에 효과적으로 압력을 분배할 수 있는 압력 매트(pressure mat)를 가지는 것을 특징으로 한다. 또한 본 발명은 탄성과 전기전도성을 가지는 모재 금속과 그 위에 전도성이 우수한 금속의 재질로 된 다공성의 금속체를 특징으로 한다.The electrolytic cell of the present invention supports both electrodes (anode and cathode) in contact with the ion exchange membrane, the membrane and the electrode, and a feeder or current distribution plate through which the gas and electrolyte generated in the electrical conductivity and electrochemical reaction can pass. It has a pressure mat that supports the feeder and has elasticity that can be easily compressed according to the contact environment, and distributes the pressure effectively throughout the MEA surface evenly according to the clamping pressure of the electrolyzer. It is characterized by. In another aspect, the present invention is characterized by a porous metal body made of a base metal having elasticity and electrical conductivity and a metal having excellent conductivity thereon.

본 발명의 일 측면에 따르면, (i) 이온 교환막, (ii) 상기 이온 교환막 양 측에 위치하는 제1, 제2 전극, (iii) 상기 제1, 제2 전극의 바깥쪽에 각각 위치하는 제1, 제2 전류 분배판, (iv) 상기 제1, 제2 전류 분배판 바깥쪽에 각각 위치하는 제1, 제2 분리판을 포함하는 전기분해 셀로서, 상기 전기분해 셀은 상기 제1 전류 분배판과 제1 분리판 사이와 상기 제2 전류 분배판과 제2 분리판 사이 중 어느 한 곳 또는 상기 제1 전류 분배판과 제1 분리판 사이와 상기 제2 전류 분배판과 제2 분리판 사이 모두에 위치하는 압력 매트를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 셀이 개시된다.According to an aspect of the present invention, (i) the ion exchange membrane, (ii) the first and second electrodes located on both sides of the ion exchange membrane, and (iii) the first and the outer side of the first and second electrodes, respectively. And a second current distribution plate, and (iv) first and second separation plates positioned respectively outside the first and second current distribution plates, wherein the electrolysis cell comprises the first current distribution plate. And between the first separator and between the second current distributor and the second separator, or between the first current distributor and the first separator and between the second current distributor and the second separator An electrolysis cell is disclosed which further comprises a pressure mat located at.

일 구현예에 따르면, 상기 압력매트는 압축률이 50-90%이고, 공극률이 50- 90%인 발포 금속일 수 있다.According to one embodiment, the pressure mat may be a foamed metal having a compression ratio of 50-90% and a porosity of 50-90%.

다른 구현예에 따르면, 상기 압력매트는 구리, 니켈, 금, 은, 주석, 알루미늄, 서스, 코발트, 이들의 합금 또는 이들의 산화물 중에서 선택된 금속의 발포체일 수 있다.According to another embodiment, the pressure mat may be a foam of a metal selected from copper, nickel, gold, silver, tin, aluminum, sus, cobalt, alloys thereof or oxides thereof.

또 다른 구현예에 따르면, 상기 압력매트는 상기 금속 발포체의 표면에 백금, 은, 구리 중에서 선택된 전도 물질이 추가로 코팅될 수 있다.According to another embodiment, the pressure mat may be further coated with a conductive material selected from platinum, silver, copper on the surface of the metal foam.

전기분해 셀 내 구성 요소간에 전기분해 셀의 활성 면적을 기준으로 구성요소 사이에 평면성과 평행성을 자동적으로 유지할 수 있으며, 전기분해 셀 내의 압력 분포와 전압 분포의 균일성을 증대시켜 결국 전기분해 셀의 최종 성능을 향상시킬 수 있다.The planarity and parallelism between components can be automatically maintained based on the active area of the electrolysis cell between the components in the electrolysis cell, and the uniformity of the pressure distribution and the voltage distribution in the electrolysis cell is increased, resulting in an electrolysis cell. Can improve the final performance.

또한 본 발명은 전기분해 셀 구성요소들(예를 들면, 분리판)의 정밀한 평면성과 평행성을 제공하기 위해서는 정밀하고 코스트가 높은 기계 가공이 필요하지 않아 전기분해 셀의 제작 비용을 저감을 할 수 있는 방안을 제공하는데 목적이 있다.In addition, the present invention does not require precise and expensive machining to provide precise planarity and parallelism of the electrolysis cell components (eg, separator), thereby reducing the manufacturing cost of the electrolysis cell. The purpose is to provide a solution.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3는 본 발명의 전기분해 셀(300)이다. 전기분해 셀(300)은 이온 교환막(310)의 양쪽 전기화학적 산화 촉매(양극촉매, 330)와 환원촉매(수소촉매, 320)를 갖는 전극 촉매층이 물리화학적으로 결합되어 MEA를 구성한다. 양극실은 양극 (촉매)(330), 프레임(360)과 분리판(380), 전류 분배판(340), 가스켓(패킹)(370) 등으로 구성되며, 음극실은 음극(촉매)(320), 프레임(360)과 셀과 셀사이를 구분하는 분리판(380), 전류 분배판(342), 가스켓(패킹)(282) 등으로 구성된다. 그림에서와 같이 본 발명의 전기분해 셀(300)은 전류 분배판(342)과 분리판(380) 사이에 급전체를 지지하고, 전해조의 조임압력(clamping pressure)에 따라 탄력성을 가지면서 전류를 이동시키는 기능의 압력 매트(pressure mat)(350)를 가지는 것이 특징이다.3 is an electrolysis cell 300 of the present invention. In the electrolysis cell 300, an electrode catalyst layer having both electrochemical oxidation catalysts (anode catalyst 330) and a reduction catalyst (hydrogen catalyst 320) of the ion exchange membrane 310 is physicochemically coupled to form an MEA. The anode chamber is composed of an anode (catalyst) 330, a frame 360 and a separator 380, a current distribution plate 340, a gasket (packing) 370, etc., the cathode chamber is a cathode (catalyst) 320, The frame 360 includes a separator 380, a current distribution plate 342, a gasket (packing) 282, and the like, which distinguish between the cell and the cell. As shown in the figure, the electrolysis cell 300 of the present invention supports a feeder between the current distribution plate 342 and the separation plate 380, and has a resilience according to the clamping pressure of the electrolytic cell. It is characterized by having a pressure mat 350 of a function of moving.

이온교환막(310)은 두께가 50 내지 200㎛이며 고체 고분자 전해질로, 양이온(cation), 에를들면 나트륨 이온, 또는 수소 이온 등이 이동 가능하며, 또한 온도에 대한 내열성과 전기화학적 산화환원 분위기에 내구성을 가져야 한다. 이 같은 기능 및 요구사항을 만족시키기 위해서는 탄화수소(hydrocarbon)계 재질 또는 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 양이온(cation)이 선택적으로 이동가능 하도록 이온 전달그룹인 설폰닉(sulfonic), 카복실릭(carboxylic) 및 포스포릭(phosphoric)계 산성그룹(acidic groups)을 가지는 고분자 구조체가 바람직하다. 가장 바람직한 구조는 내열성과 내산화성이 우수한 탄화불소(fluorocarbon)계 재질의 고분자에 ~SO3 형태의 강산성을 그룹을 가지는 막이다. 이같은 계열의 대표적인 막(310)은 듀폰사(E. I. du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Del.)의 상품명 NAFION이 있다. The ion exchange membrane 310 is a solid polymer electrolyte having a thickness of 50 to 200 μm, and is capable of moving cations, eg sodium ions, hydrogen ions, and the like, and is durable against temperature and electrochemical redox atmospheres. Should have In order to satisfy these functions and requirements, the ion transport groups sulfonic and carboxyl are used to selectively move cations to hydrocarbon-based or fluorocarbon-based polymers. Polymer structures having carboxylic and phosphoric acidic groups are preferred. The most preferable structure is a film having a strong acidity group of the form of ~ SO 3 in a fluorocarbon polymer having excellent heat resistance and oxidation resistance. A representative membrane 310 of this series is the trade name NAFION under the dupont (EI du Pont de Nemours and Company, Wilmington, Del.).

본 발명에 있어서의 전기분해 셀(300)의 전극 촉매층(320, 330)은 각각 금속 촉매만으로 구성될 수 있다.The electrode catalyst layers 320 and 330 of the electrolysis cell 300 in the present invention may be composed of only metal catalysts, respectively.

본 발명에 있어서 양극 촉매층(310)과 음극 촉매층(330)에 포함되는 촉매는, 각각이 같아도, 달라도 좋지만, 백금족 또는 백금족 합금으로 이루어지는 금속촉매가 바람직하다. 금속촉매로는 백금족의 금속(백금, 루테늄, 로듐, 파라듐, 오스뮴, 이리듐)외에 금, 은, 크롬, 철, 티타늄, 망간, 코벨트, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 알루미늄, 규소, 아연, 및 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속과의 합금 또는 이들로 구성된 산화물이 바람직하다.In the present invention, the catalysts included in the anode catalyst layer 310 and the cathode catalyst layer 330 may be the same or different, but a metal catalyst made of a platinum group or a platinum group alloy is preferable. Metal catalysts include gold, silver, chromium, iron, titanium, manganese, cobelt, nickel, molybdenum, tungsten, aluminum, silicon, zinc, in addition to metals of the platinum group (platinum, ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium) Preferred is one or one or more metal alloys selected from the group consisting of tin or oxides thereof.

본 발명에 있어서의 전극 촉매층(320, 330)과 이온교환막(310)의 두께는 특히 한정되지 않지만, 이온교환막(320)의 두께는 50㎛이상인 것이 바람직하다. 이온교환막(320)의 두께가 50㎛ 이하로 지나치게 얇으면 단락(short)을 일으킬 우려가 있고, 이온교환막의 두께가 200㎛ 이상이면 이온 저항의 커져 전압이 급상승하게 되므로 50㎛~200㎛인 것이 바람직하다.Although the thickness of the electrode catalyst layers 320 and 330 and the ion exchange membrane 310 in this invention is not specifically limited, It is preferable that the thickness of the ion exchange membrane 320 is 50 micrometers or more. If the thickness of the ion exchange membrane 320 is too thin (50 μm or less), a short circuit may occur. If the thickness of the ion exchange membrane is 200 μm or more, the ion resistance increases, so that the voltage increases rapidly. desirable.

또한, 전극 촉매층(310, 330)의 두께는 20㎛이상에서는 과다한 촉매사용으로 인한 촉매의 손실이 문제가 되며, 촉매층 두께가 1㎛이하로 얇으면 단위면적당 존재하는 촉매량이 적어져 반응 활성이 낮을 수가 있기 때문에 촉매층의 두께는 1～15㎛가 바람직하며, 가장 좋게는 5 ㎛이다.In addition, when the thickness of the electrode catalyst layers 310 and 330 is 20 µm or more, the loss of the catalyst due to the excessive use of the catalyst becomes a problem. Since the thickness of the catalyst layer is preferably 1 to 15 µm, most preferably 5 µm.

본 발명의 전기분해 셀(300)에서 MEA(막전극 접합체, 막(310), 촉매층(320)과 음극 촉매층(320)의 일체형)은 간격 유지 방법에 따라 제로갭형(Zero-gap), 유한거리형(Finite Gap)형, 전극과 고분자 일체형(Electrode Membrane Composite, 이하 EMC로 기술함)으로 제작될 수 있다. 제로갭형은 전해조 조임압력에 의해 막(310)과 전극 촉매층(320,330) 사이의 거리가 제로(0 mm)으로 밀착된 형이며, 유한 거리형은 막(310)과 전극 촉매층(320,330) 사이의 거리가 일정한 거리가 있는 형이며, EMC형은 수소이온 교환막(310)과 전극 촉매층(320,330)이 물리화학적으로 일체화된 형이다. EMC를 제작하는 방법은 특히 한정되지 않지만, 구체적 예를 들면, 이온교환막상에 직접 촉매를 석출시키는 방법과 촉매층을 막에 압착하는 방법 등이 있으며, 이들의 제조 방법은 널리 공지되어 있다. 참고로 도 4는 본 발명에 의한 MEA로 막에 전극촉매를 직접 석출하여 제작한 EMC이다. MEA (membrane electrode assembly, membrane 310, catalyst layer 320 and cathode catalyst layer 320 integrated) in the electrolysis cell 300 of the present invention is zero-gap, finite distance according to the method of maintaining the gap It can be manufactured in the form of Finite Gap, Electrode Membrane Composite (hereinafter referred to as EMC). The zero gap type is a type in which the distance between the membrane 310 and the electrode catalyst layers 320 and 330 is close to zero (0 mm) by the electrolytic cell tightening pressure, and the finite distance type is the distance between the membrane 310 and the electrode catalyst layers 320 and 330. Is a type with a certain distance, and the EMC type is a type in which the hydrogen ion exchange membrane 310 and the electrode catalyst layers 320 and 330 are physically and chemically integrated. Although the method of manufacturing EMC is not specifically limited, For example, there are a method of depositing a catalyst directly on an ion exchange membrane, the method of pressing a catalyst layer to a membrane, etc., The manufacturing method of these is well known. For reference, Figure 4 is an EMC produced by directly depositing the electrode catalyst on the membrane by the MEA according to the present invention.

본 발명에 있어서 급전체(340,242)는 금속 파이버 소결판, 다공성 소결판, 금속 메쉬, 또는 이를 적층한 스크린 팩 등으로 구성할 수 있다. 급전체(340,242) 구조는 반응물 및 생성물을 MEA로, 또는 MEA로 부터 생성된 물질을 이동시키고, 전류를 MEA 표면에 원활히 분배하는 관점에서 구조를 가져야 한다. 전류 분배는 MEA와의 접촉점에 좌우 되며, 이를 워해서는 적절한 기공을 가지며, 바람직하게는 40~80%하다. 80% 이상에서는 물질 이동은 원활하지만 접촉점이 너무 작게 되어 전류 분포의 불균일화를 야기하며, 40% 이하에서는 반대로 물질이동이 원활하지 못하게 된다. 급전체의 재질로는 전도성을 가져야 하며, 전기분해 셀에 존재하는 반응물 및 생성물의 환경 및 전기화학적 산화 환원 조건에 적합하여야 한다. 이 같은 환경에서 가능한 물질로는 티타늄, 니켈, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 하스텔로이 및 주석으로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상의 금속과의 합금이 바람직하다.In the present invention, the feeders 340 and 242 may be composed of a metal fiber sintered plate, a porous sintered plate, a metal mesh, or a screen pack including the stacked layers. The feeder structures 340 and 242 should be structured in terms of transporting reactants and products into or out of the MEA and smoothly distributing current to the MEA surface. The current distribution depends on the point of contact with the MEA, which has appropriate pores and is preferably 40-80%. Above 80% mass transfer is smooth but the contact point is too small, resulting in non-uniformity of current distribution, and below 40%, mass transfer is not smooth. The material of the feeder should be conductive and suitable for the environmental and electrochemical redox conditions of the reactants and products present in the electrolysis cell. Possible materials in such an environment are preferably alloys with one or more metals selected from the group consisting of titanium, nickel, molybdenum, tungsten, zinc, hastelloy and tin.

본 발명에 있어서 압력매트(350)은 양극실 또는 음극실, 또는 양극실 및 음 극실에 설치가능하며 본 도3에서는 음극실에 설치한 경우이다.In the present invention, the pressure mat 350 may be installed in the anode chamber or the cathode chamber, or the anode chamber and the cathode chamber. In FIG.

압력매트(350)는 외부 체결압에 의해 MEA(310,320,330)과 분리판(360)을 조임으로써 MEA(310,320,330)과 그 분리판(360) 사이를 압축하게 된다. 여기서, 분리판(360) 또는 삽입한 급전체(272)와 용접 또는 결합되어 있지 않고, 이들과 물리적 접촉에 의해 전류를 급전체에 전도해야 하며, 또한 전해질의 이동에 장해가 없어야 한다. The pressure mat 350 compresses between the MEAs 310, 320, 330 and the separators 360 by tightening the MEAs 310, 320, 330 and the separators 360 by external clamping pressure. Here, it is not welded or coupled with the separator plate 360 or the inserted feeder 272, and electrical current must be conducted to the feeder by physical contact therewith, and there should be no obstacle to the movement of the electrolyte.

압력 매트(350)의 압축율은 최초 용량 및/또는 두께의 약 50-90% 또는 그 이하로 압축할 수 있어야 하며, 이에 상당하는 발포 금속의 공극율은 50%~90%이 바람직하다. 50% 이하에서는 압축율이 급격이 떨어지며, 90% 이상에서는 압력 매트가 붕괴되는 문제가 있다. 이때 유지되는 압력매트의 압력 설계 조건은 전기분해 셀 내 작동 압력보다 약 1.5배 큰 압력이다. 예를 들면 30 bar에서 운전하는 전기분해 셀의 경우 압력매트는 45 bar에서 설계된다. 일반적으로 널리 알려진 실리콘 러버 등 러버는 이 조건에서는 파손이 일어난다. The compressibility of the pressure mat 350 should be compressible to about 50-90% or less of its initial capacity and / or thickness, and the porosity of the foam metal equivalent is preferably between 50% and 90%. At 50% or less, the compression rate drops sharply, and at 90% or more, there is a problem that the pressure mat collapses. The pressure design condition of the pressure mat maintained at this time is about 1.5 times greater than the operating pressure in the electrolysis cell. For example, for electrolysis cells operating at 30 bar, the pressure mat is designed at 45 bar. Rubbers, such as silicone rubber, which are generally known, are damaged under these conditions.

압력매트(350) 재질은 구리, 니켈, 금, 은, 주석, 알루미늄, 서스(stainless steel) 및 코발트로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 전기 전도성이 양호한 금속의 발포화된 금속체가 바람직하다. 가장 바람직한 재질은 가성소다 및 수소 환경에 내화학성을 갖는 재질 니켈이다. 또다른 본 발명의 압력매트 형태는 내화학성을 가지는 발포체 금속위에 전도성이 우수한 백금, 은, 구리 등의 전도물질을 코팅할 수 있다, 본 발명에서 가장 적합찬 금속 발포제는 백금층이 코팅된 니켈 발포체이다. The material of the pressure mat 350 is preferably a foamed metal body of one or more electrically conductive metals selected from the group consisting of copper, nickel, gold, silver, tin, aluminum, stainless steel, and cobalt. Most preferred materials are nickel, which has chemical resistance to caustic soda and hydrogen environments. Another pressure mat form of the present invention can coat conductive materials such as platinum, silver and copper having excellent conductivity on the foam metal having chemical resistance. The most suitable metal foaming agent in the present invention is a nickel foam coated with platinum layer. to be.

이들 발포체의 제작 방법은 금속진공증착 및 스퍼터링(sputtering)이나 전해 또는 무전해 도금 방법 등은 널리 공지되어 있다.Metal foaming and sputtering, electrolytic or electroless plating, and the like are well known as methods for producing these foams.

이하 본 발명의 여러 구현예를 기초로 본 발명을 설명하도록 하며, 다만 이하의 실시예에 의해 본 발명을 제한하거나 축소해서 해석할 수 없다.Hereinafter, the present invention will be described based on various embodiments of the present invention, but the present invention is not limited or reduced by the following examples.

실시예 1Example 1

이하에서 백금층이 코팅된 니켈 발포체를 제조하고 그 적용 가능성을 평가하였다.Hereinafter, a nickel layer coated with a platinum layer was manufactured and its applicability was evaluated.

폴리우레탄폼(10-100ppi)의 표면에 팔라듐(Pd) 도금욕에 침적하여 촉매처리하고, 흑연 분말과 5-10%의 폴리비닐알콜(PVA)용액을 폴리우레탄폼에 얇게 도포하여 전도성을 부여한 후 니켈을 1-3마이크로미터 두께로 도금을 한다. 여기서 니켈 도금은 백금의 밀착력을 증가시키고 폼의 구조체를 결정하고 내구성을 확보하기 위한 처리로 3마이크로미터 내외가 바람직하다. 백금 도금은 상기 제조된 Ni 폼에 전도성을 부여하기 위한 것으로 0.1~2 마이크로미터 두께로 무전해 도금을 실시한다. 그 후, 백금/니켈 폼의 금속조직 치밀화와 안정성 부여, 내부의 폴리우레탄폼의 제거를 위하여 열처리를 실시한다. 열처리 공정은 150℃~300℃ 내에서 30분~5시간 열처리로 내에서 밀착력증대를 위한 열처리를 실시한다. 이때, 금속 폼 내부의 폴리우레탄도 일부 소실되지만, 완전히는 소각되지 않는다. 2단계 열처리는 비산화성 분위기로에서 600℃~950℃의 온도범위내에서 20분-5시간 고온 열처리를 실시한다. 열처리 온도가 950℃이상에서는 제품의 폼 형상이 변화될 수 있다. The surface of the polyurethane foam (10-100ppi) was deposited in a palladium (Pd) plating bath for catalytic treatment, and the graphite powder and 5-10% polyvinyl alcohol (PVA) solution were applied to the polyurethane foam thinly to give conductivity. Nickel is then plated to a thickness of 1-3 micrometers. Nickel plating is preferably about 3 micrometers as a treatment to increase the adhesion of platinum, determine the structure of the foam and ensure durability. Platinum plating is to impart conductivity to the Ni foam prepared above, and electroless plating is performed at a thickness of 0.1 to 2 micrometers. Thereafter, heat treatment is performed for densification and stability of the metal structure of the platinum / nickel foam and removal of the internal polyurethane foam. Heat treatment process is carried out in the heat treatment furnace for 30 minutes to 5 hours within 150 ℃ ~ 300 ℃ to increase the adhesive strength. At this time, some of the polyurethane inside the metal foam is lost, but not completely incinerated. Two-stage heat treatment is a high temperature heat treatment for 20 minutes-5 hours in a non-oxidizing atmosphere in the temperature range of 600 ℃ ~ 950 ℃. If the heat treatment temperature is higher than 950 ° C, the foam shape of the product may change.

열처리 후 바포 Pt/Ni 폼은 표면에 남아있는 불순물 제거를 위하여 세정을 하여 최종 제품을 얻는다. 도 5는 본 발명의 실시예에서 얻어진 최종 발포체다.After heat treatment, Bafo Pt / Ni foam is cleaned to remove impurities remaining on the surface to obtain the final product. 5 is the final foam obtained in the embodiment of the present invention.

실시예 2Example 2

압력매트가 설치된 단위셀 10개를 적층하여 10개 셀간의 전압분포를 측정하였다. 도 6는 본 실험에 사용된 전기분해 셀의 사진이다.Ten unit cells provided with a pressure mat were stacked to measure the voltage distribution between the ten cells. 6 is a photograph of the electrolysis cell used in this experiment.

1. 전기분해 셀의 구성(도 3 참조)1. Configuration of the electrolysis cell (see FIG. 3)

파라메터Parameter 사양Specifications 단위셀의 갯수Number of unit cells 10개10 things 단위셀의 면적(활성면적)Unit cell area (active area) 314 cm2 314 cm 2 단위셀구성




Unit cell composition




이온교환막(310)Ion Exchange Membrane 310 Nafion 117(180㎛)Nafion 117 (180 μm) 양극 촉매층(320)Anode catalyst layer 320 IrO2-PtIrO 2 -Pt 음극 촉매층(330)Cathode Catalyst Layer 330 PtPt 급전체(340,242)Feeder (340,242) 티타늄 금속 파이버 소결판(공극율 70%, 0.5mm 두께)Titanium Metal Fiber Sintered Plate (70% Porosity, 0.5mm Thickness) 압력매트(350)Pressure Mat (350) 백금층이 코팅된 니켈 발포체(공극율 80%, 1mm 두께) Nickel foam coated with platinum layer (80% porosity, 1 mm thick) 분리판(360)Separator (360) Ti 판(4mm)에 유로를 형성시켰음A flow path was formed in the Ti plate (4 mm)

2. 전기분해 셀의 운전조건2. Operation condition of electrolysis cell

파라메터Parameter 값value 전류밀도Current density 1 A/cm21 A / cm2 전해질Electrolyte 순수pure

3. 성능분석3. Performance Analysis

파라메터Parameter 분석방법Analysis method 분석간격(시간)Analysis interval (hours) 결과result 전압Voltage 멀티미터로 측정Measure with multimeter 정상가동후 1일 후1 day after normal operation 도 7에 실시예 2로 표시Marked as Example 2 in FIG. 감압지상태Decompression 감압지Pressure-sensitive paper 조립 1시간 후 1 hour after assembly 도 8에 실시예 2로 표시Marked as Example 2 in FIG. 8

비교예 1Comparative Example 1

압력매트가 없는 단위셀 10개를 적층하여 10개 셀간의 전압분포를 측정하였다. 사용된 전기분해 셀은 도 5와 같다.Ten unit cells without a pressure mat were stacked and the voltage distribution between the ten cells was measured. The electrolysis cell used is shown in FIG. 5.

1. 전기분해 셀의 구성(도 2 참조)1. Configuration of the electrolysis cell (see FIG. 2)

파라메터Parameter 사양Specifications 단위셀의 갯수Number of unit cells 10개10 things 단위셀의 면적(활성면적)Unit cell area (active area) 314 cm2 314 cm 2 단위셀구성



Unit cell composition



이온교환막(210)Ion Exchange Membrane (210) Nafion 117(180㎛)Nafion 117 (180 μm) 양극 촉매층(220)Anode Catalyst Layer 220 IrO2-PtIrO 2 -Pt 음극 촉매층(230)Cathode Catalyst Layer 230 PtPt 급전체(270,272)Feeder (270,272) 티타늄 금속 파이버 소결판(공극율 70%, 0.5mm 두께)Titanium Metal Fiber Sintered Plate (70% Porosity, 0.5mm Thickness) 분리판(260,262)Separator (260,262) Ti 판(4mm)에 유로를 형성시켰음A flow path was formed in the Ti plate (4 mm)

2. 전기분해 셀의 운전조건2. Operation condition of electrolysis cell

파라메터Parameter 값value 전류밀도Current density 1 A/cm21 A / cm2 전해질Electrolyte 순수pure

3. 성능분석3. Performance Analysis

파라메터Parameter 분석방법Analysis method 분석간격(시간)Analysis interval (hours) 결과result 전압Voltage 멀티미터로 측정Measure with multimeter 정상가동후 1일 후1 day after normal operation 도 7에 비교예 1로 표시Marked as Comparative Example 1 in FIG. 감압지상태Decompression 감압지Pressure-sensitive paper 조립 1시간 후 1 hour after assembly 도 8에 비교예 1로 표시Marked as Comparative Example 1 in FIG. 8

도 7은 기존 셀과 본 발명의 압력매트가 설치된 전기분해샐의 전압분포로서, 전압분포가 일정할 수록 우수한 성능 자지는 것을 의미한다. 본 발명의 전기분해 셀은 기존의 전기분해 셀에 비해 매우 우수한 균일성을 갖는다.FIG. 7 is a voltage distribution of an electrolysis cell in which an existing cell and a pressure mat of the present invention are installed, and as the voltage distribution is constant, the better performance is achieved. The electrolysis cell of the present invention has very good uniformity compared to the conventional electrolysis cell.

도 8은 기존의 전기분해 셀(비교예 1)과 본 발명의 전기분해 셀(실시예 2)에서 감압지를 이용한 막전극접합체에서의 압력 접촉 변화를 나타낸 것이다. 감압지는 접촉 정도에 따라 색이 변하는 종이로, 표시(marking)가 나타나지 않으면 접촉되지 않았음을 알 수 있다. Figure 8 shows the pressure contact change in the membrane electrode assembly using a pressure-sensitive paper in the conventional electrolysis cell (Comparative Example 1) and the electrolysis cell (Example 2) of the present invention. Pressure-sensitive paper is a paper that changes color depending on the degree of contact, it can be seen that the contact (marking) is not contacted.

도 8의 실시예 2에 나타난 표시가 없는 부분(810)은 분리판(도3의 360)의 유로 부분의 접촉 압력(표시가 없어야 함) 상태이며, 붉은 색으로 표시된 부분(820) 은 분리판(도3의 360)과 급전체 사이에에 전류를 공급하기 위한 분리판(도3의 360) 형성된 리브(rib)에 의한 접촉 상태이다.The unmarked portion 810 shown in Embodiment 2 of FIG. 8 is a contact pressure (not marked) of the flow path portion of the separator plate (360 of FIG. 3), and the portion 820 marked in red is the separator plate. It is a contact state by the rib formed in the separating plate (360 of FIG. 3) for supplying electric current between (360 of FIG. 3) and a power supply.

감압지에 표시된 붉은 부분을 도 8의 실시예2와 비교예 1을 비교하면, 기존의 전기분해 셀(비교예)에서는 접촉 압력이 불균일한 영역 A, B, C 가 존재하지만, 압력매트가 설치된 본 발명의 전기분해 셀에서는 매우 일정한 압력으로 접촉함을 알 수 있다. Comparing Example 2 and Comparative Example 1 of FIG. 8 with the red portion indicated on the pressure-sensitive paper, in the conventional electrolysis cell (comparative example), although the contact pressures were uneven in areas A, B, and C, the pressure mat was installed. In the electrolysis cell of the invention it can be seen that the contact at a very constant pressure.

본 발명의 전해셀은 전도성이 있으면서 탄성이 있는 압력 매트(pressure mat)의 구성요소를 1개 삽입하여 셀 구성요소 사이의 접촉면을 균일하게 분배할 수 있었다. The electrolytic cell of the present invention was able to uniformly distribute the contact surfaces between the cell components by inserting one component of a conductive and elastic pressure mat.

압력매트가 설치함으로서 높은 정밀도를 가지는 구성요소의 제조를 피할 수 있게되어 제조 원가의 저감이 기대된다.By installing the pressure mat, it is possible to avoid the manufacture of components with high precision, and the production cost is expected to be reduced.

도 1은 종래 전기분해 셀(100)의 개념도이다.1 is a conceptual diagram of a conventional electrolysis cell 100.

도 2는 종래 단위 전기분해 셀(200)의 구조도이다.2 is a structural diagram of a conventional unit electrolysis cell 200.

도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기분해 셀(300)의 구조도이다.3 is a structural diagram of an electrolysis cell 300 according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 MEA로 막에 전극촉매를 직접 석출하여 제작한 EMC이다. Figure 4 is an EMC produced by directly depositing the electrode catalyst on the membrane with an MEA according to an embodiment of the present invention.

도 5는 실시예 1에서 얻어진 최종 발포체다.5 is the final foam obtained in Example 1. FIG.

도 6는 실시예 2에 사용된 전기분해 셀의 사진이다.6 is a photograph of an electrolysis cell used in Example 2. FIG.

도 7은 비교예 1과 실시예 2의 셀의 전압 분포를 비교한 그래프이다.7 is a graph comparing voltage distribution of cells of Comparative Example 1 and Example 2. FIG.

도 8은 비교예 1과 실시예 2의 셀에 대해서 감압지를 이용하여 막-전극 접합체에서의 압력 접촉 변화를 나타낸 것이다.FIG. 8 shows pressure contact changes in the membrane-electrode assembly using pressure-sensitive paper for the cells of Comparative Examples 1 and 2. FIG.

Claims (4)

(i) 이온 교환막(i) ion exchange membrane (ii) 상기 이온 교환막 양측에 위치하는 제1, 제2 전극,(ii) first and second electrodes positioned at both sides of the ion exchange membrane, (iii) 상기 제1, 제2 전극의 바깥쪽에 각각 위치하며 기공률이 40~80%인 제1, 제2 전류 분배판,(iii) first and second current distribution plates respectively positioned outside the first and second electrodes and having a porosity of 40 to 80%; (iv) 상기 제1, 제2 전류 분배판 바깥쪽에 각각 위치하는 제1, 제2 분리판을 포함하는 전기분해 셀로서,(iv) an electrolysis cell comprising first and second separator plates positioned respectively outside the first and second current distribution plates, 상기 전기분해 셀은 상기 제1 전류 분배판과 제1 분리판 사이와 상기 제2 전류 분배판과 제2 분리판 사이 중 어느 한 곳 또는 상기 제1 전류 분배판과 제1 분리판 사이와 상기 제2 전류 분배판과 제2 분리판 사이 모두에 위치하는 압력 매트를 추가로 포함하되, 상기 압력매트는 구리, 니켈, 금, 은, 주석, 알루미늄, 서스, 코발트, 이들의 합금 또는 이들의 산화물 중에서 선택된 금속을 폴리우레탄 폼에 도포하고, 열처리하여 폴리우레탄폼을 제거하는 과정을 포함하여 제조된 압축률이 50-90%이고, 공극률이 50-90%인 발포화된 금속체이며,The electrolysis cell is any one of between the first current distribution plate and the first separation plate and between the second current distribution plate and the second separation plate or between the first current distribution plate and the first separation plate and the first separation plate. 2 further comprising a pressure mat positioned between both the current distribution plate and the second separator, wherein the pressure mat is selected from among copper, nickel, gold, silver, tin, aluminum, sus, cobalt, alloys thereof or oxides thereof. It is a foamed metal body having a compression rate of 50-90% and a porosity of 50-90%, including applying a selected metal to a polyurethane foam and heat treatment to remove the polyurethane foam, 상기 금속 발포체의 표면에 백금, 은, 구리 중에서 선택된 전도 물질이 추가로 코팅된 것을 특징으로 하는 전기분해 셀.Electrolytic cell, characterized in that the surface of the metal foam is further coated with a conductive material selected from platinum, silver, copper. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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