KR101769754B1 - Electrochemical reaction chamber frame, and electrochemical cell and electrochemical stack having the same - Google Patents
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Abstract
Description
이 발명은 전기화학 반응실 프레임에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응실에서 생성되는 생성물인 산소나 수소 등으로 인한 부식방지 및 취화방지 등을 위해 귀금속 또는 비활성 물질을 코팅하여 구성한 부식방지층을 갖는 전기화학 반응실 프레임에 관한 것이다. 또한, 이 발명은 운전비용을 대폭 저감하기 위해 장치를 매우 콤팩트하게 하고, 부품수를 줄여 제작비용을 줄이며, 접촉점을 줄여 전기분해시 전기소모량을 줄일 수 있는 전기화학 셀과 전기화학용 스택에 관한 것이기도 하다.The present invention relates to an electrochemical reaction chamber frame, and more particularly, to an electrochemical reaction chamber having an anticorrosion layer formed by coating a noble metal or an inactive material for prevention of corrosion and prevention of brittleness caused by oxygen, hydrogen, And a chemical reaction chamber frame. The present invention also relates to an electrochemical cell and an electrochemical stack capable of reducing the operation cost by greatly reducing the size of the apparatus, reducing the number of parts to reduce the manufacturing cost, and reducing the amount of electricity consumed during the electrolysis by reducing the contact point It is also.
일반적으로 전기화학 셀은 전기에너지를 이용하거나 전기에너지를 생성하는 에너지 변환 장치로, 전기분해 전지(electrolysis cell)와 연료전지(fuel cell)로 분류된다. 전기화학 셀의 실용화를 위해서는 연료전지의 경우 출력 밀도 향상(물 전기분해의 경우는 전기에너지 소비량 저하), 내구성의 향상 및 저비용화가 필요하다.Generally, an electrochemical cell is an energy conversion device that uses electric energy or generates electric energy, and is classified into an electrolysis cell and a fuel cell. For the practical use of electrochemical cells, it is necessary to improve the output density (decrease in electric energy consumption in case of water electrolysis), durability and cost reduction in fuel cells.
도 1 내지 도 4는 전형적인 전기화학 셀의 단위 구조, 전기화학용 스택 구조 및 시스템 구조를 나타낸 것이다.Figs. 1 to 4 show a unit structure of a typical electrochemical cell, an electrochemical stack structure, and a system structure.
도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀의 일부분을 구성하는 막전극접합체(100)의 개념도로서, 도 1의 하부는 구성요소 각층의 두께를 나타낸 것이다.1 is a conceptual view of a
물(H20)을 전기분해하여 산소가스(O2)와 수소가스(H2)를 생산하는 전기분해용 전기화학 셀은 제1 전기화학 반응층(104), 제2 전기화학 반응층(108), 막(106), 제1 확산층(102) 및 제2 확산층(110)으로 이루어진다. 이때, 제1 전기화학 반응층(104)은 제1 전기화학 촉매(112)와 제1 담체(114)로 구성되고, 제2 전기화학 반응층(108)은 제2 전기화학 촉매(116)와 제2 담체(118)로 구성된다.An electrolytic electrochemical cell for electrolyzing water (H 2 O) to produce oxygen gas (O 2 ) and hydrogen gas (H 2 ) includes a first
제1 확산층(102)과 제2 확산층(110)은 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)로(또는 에서) 전자와 반응물 또는 생성물의 이동을 돕는다. 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)는 전기분해를 하거나 전기에너지를 만드는 가장 중요한 물질이며, 제1, 제2 담체(114, 118)는 제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)의 지지체 역할과 전자의 이동경로를 제공한다.The
제1, 제2 전기화학 촉매(112, 116)는 제1, 제2 담체(114, 118), 바인더(Binder) 및 용매(Solvent)와 같이 혼합되어 슬러리(Slurry)나 페이스트(Paste) 상태로 만들어진 후, 막(106)에 도포하거나 또는 제1, 제2 확산층(102, 110)에 도포하여 제1, 제2 전기화학 반응층(104, 108)으로 만들어진다. 이때, 이와 같이 만들어진 "전기화학 반응층(104, 108)-막(106)" 또는 "전기화학 반응층(104, 108)-막(106)-확산층(102, 110)"을 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 "MEA"라 함)라고 한다.The first and second
MEA에 형성된 제1 전기화학 반응층(104)과 제2 전기화학 반응층(108)의 간격은 물리적인 막의 두께 값을 가지며, 제1 전기화학 반응층(104)과 제2 전기화학 반응층(108) 내에는 기포가 존재하지 않아 저전압, 고전류의 운전이 가능하다. 또한, 알카리 전기분해 셀에서와 같이 전해액의 전도성을 이용하지 않기 때문에 원료인 물을 고순도로 사용가능하고, 이에 고순도의 수소와 산소를 얻을 수 있는 장점이 있다.The gap between the first
도 1에 도시된 구성을 이용하여, 물을 전기분해하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 여기서, 산화 반응이 일어나는 곳을 제1 전기화학 반응층(104)으로 하고, 환원 반응이 일어나는 곳을 제2 전기화학 반응층(108)으로 하며, 산화 반응과 환원 반응은 동시에 일어난다.A process of electrolyzing water using the configuration shown in FIG. 1 will be described below. Here, the first
먼저, 물(H20)이 제1 확산층(102)을 거쳐 제1 전기화학 반응층(104)에 공급되면, 물은 제1 전기화학 촉매(112)(산화촉매, 양극 활물질, 산소가스 발생 전극이라고도 함)에서 아래 반응식 1과 같이 산소가스(O2)와 전자(e-) 그리고 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해반응이 일어난다. 이때, 산소가스(O2)는 확산에 의해 전기분해 셀의 외부로 유출되며, 수소이온(H+)은 전기장에 의해 막(106)을 통과하여 제2 전기화학 촉매(116)(환원촉매, 음극활물질, 수소가스 발생극이라고도 함)로 이동하며, 반응에 의하여 생성된 전자(e-)는 제1 전기화학 촉매(112)에서 제1 확산층(102), 외부회로(미도시)를 거쳐 제2 확산층(110), 제2 전기화학 촉매(116)로 이동한다.First, when water (H 2 O) is supplied to the first
한편, 제2 전기화학 촉매(116)에서는 제1 전기화학 촉매(112)에서 이동한 수소이온(H+)과 전자(e-)가 반응하여 반응식 2와 같이 수소가스(H2)가 생성된다. 그리고, 제1 전기화학 반응층(104)으로 공급된 물 중에서 일부는 전기장에 의해 제2 전기화학 반응층(108)으로 이동하여 수소가스(H2)와 함께 전기분해 셀의 외부로 유출된다.On the other hand, in the second
제1 전기화학 촉매(112)와 제2 전기화학 촉매(116)에서 각각 일어난 전기화학적 반응을 표현하면 아래의 반응식 1 및 반응식 2와 같다. The electrochemical reactions occurring in the first
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
2H2O → 4H+ + 4e- + O2 (양극)2H 2 O? 4H + + 4e - + O 2 (anode)
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
4H+ + 4e- → 2H2 (음극)4H + + 4e - ? 2H 2 (cathode)
한편, 연료전지의 경우에는 물의 전기분해와 역으로 반응이 발생하게 되며, 이를 설명하면 다음과 같다.On the other hand, in the case of a fuel cell, a reaction occurs in reverse to the electrolysis of water.
먼저, 수소가스를 제1 전기화학 반응층으로 도입하고, 산소가스를 제2 전기화학 반응층으로 공급한다. 그러면, 수소가스는 제1 전기화학 촉매에서 전기화학 반응에 의해 수소이온(양성자)과 전자로 전환되어, 전자는 전기적으로 연결된 외부 부하를 통해서 양성자는 막을 지나 제2 전기화학 촉매로 이동한다. 그러면, 제2 전기화학 촉매에서는 제1 전기화학 촉매에서 생성 이동한 양성자 및 전자가 외부에서 공급된 산소가스와 반응하여 물, 에너지 및 열이 생성된다. 이를 총괄 전기화학적 반응이라고 한다. First, hydrogen gas is introduced into the first electrochemical reaction layer, and oxygen gas is supplied to the second electrochemical reaction layer. Then, the hydrogen gas is converted into hydrogen ions (protons) and electrons by an electrochemical reaction in the first electrochemical catalyst, and the electrons are transferred to the second electrochemical catalyst through the membrane through the electrically connected external load. Then, in the second electrochemical catalyst, protons and electrons generated in the first electrochemical catalyst react with oxygen gas supplied from the outside to generate water, energy, and heat. This is called overall electrochemical reaction.
도 2는 도 1의 MEA를 구비하여 물을 전기분해하는 전형적인 전기화학 셀의 구조도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기화학 셀(200)은 제1 엔드플레이트(202)(End Plate), 제1 절연판(204), 제1 전류공급판(206), 제1 전기화학 반응실 프레임(208), 제1 전기화학 반응실(210), MEA(도 1의 100), 제2 전기화학 반응실(212), 제2 전기화학 반응실 프레임(214), 제2 전류공급판(216), 제2 절연판(218) 및 제2 엔드플레이트(220)로 구성되며, 전기화학 셀에 전류를 공급하는 전력변환장치(224)로 직류전원 공급장치가 있다.FIG. 2 is a structural view of a typical electrochemical cell having the MEA of FIG. 1 to electrolyze water. 2, the
제1 엔드플레이트(202)와 제2 엔드플레이트(220)는 단위 전기화학 셀 조립을 위한 볼트/너트 체결 구멍(미도시), 반응물 및 생성물의 통로(미도시) 기능을 제공하며, 제1 절연판(204)과 제2 절연판(218)은 각각 제1 엔드플레이트(202)와 제1 전류공급판(206) 사이 및 제2 엔드플레이트(220)와 제2 전류공급판(216) 사이에서의 전기적 절연 기능을 하고, 제1 전류공급판(206)과 제2 전류공급판(216)은 전력변환장치(224)와 연결되어 전기화학 셀(200)에 필요한 전류를 공급하는 역할을 한다.The
한편, 제1 전기화학 반응실(210)에 제1 전기화학 촉매(112)가 위치하여 산화 반응이 일어나는 경우, 반응물인 물과 생성물인 산소의 이동을 위한 공간이 되며, 막(106)을 중심으로 제1 전기화학 반응실(210)의 반대편에 위치하는 제2 전기화학 반응실(212)에서는 환원 반응에 의해 생성된 수소와 제1 전기화학 반응실(210)에서 이동한 물의 이동을 위한 공간이 제공된다.Meanwhile, when the first
제1 전기화학 반응실(210)은 제1 전기화학 반응실 프레임(208)에 의해 외부와 차단되고, 제2 전기화학 반응실(212)은 제2 전기화학 반응실 프레임(214)에 의해 외부와 차단된다. 그리고, MEA(100)와 제1 전기화학 반응실 프레임(208), 제2 전기화학 반응실 프레임(214) 사이에는 반응물과 생성물의 외부 누설을 막는 가스켓(또는 패킹)(222)이 각각 설치된다.The first
전기화학 셀(200)을 구성하는 구성요소 중에서 제1 전기화학 반응실 프레임(208), 제2 전기화학 반응실 프레임(214), 가스켓(222)은 전기화학 셀을 통하여 반응물 또는 생성물의 유입 및 유출이 용이하도록 적당한 홀을 가지며, 제1 전기화학 반응실 프레임(208)과 제2 전기화학 반응실 프레임(214)에는 유체(산소, 수소, 물)의 유로(도 2의 (가)에 점선으로 표시됨)가 형성되어 있다.The first electrochemical
한편, 다른 전기화학 셀(200)은 제2 전기화학 반응실 프레임(214)과 제2 전류공급판(216) 사이에 전기화학 셀(200)의 균형을 유지하기 위한 압력패드(미도시, 도 3의 304 참조)를 갖기도 한다.The other
한편, 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(208, 214)은 그 재료로 티타늄(Ti)을 이용한다. 그런데, 이러한 티타늄 모재의 경우에도, 예를 들어 반응실에서 생성되는 생성물인 산소로 인한 산화나 수소로 인한 수소 취성 등이 발생한다.On the other hand, the first and second electrochemical
도 3은 종래의 일반적인 전기화학용 스택의 개념도이다. 전기분해 반응에서 원하는 양의 생성물을 얻기 위해서는 단위 전기화학 셀이 복수개 필요하며, 이때 2개 이상 적층한 전기화학 셀들의 집합체를 전기화학용 스택이라고 한다.3 is a conceptual diagram of a conventional electrochemical stack. In order to obtain a desired amount of product in the electrolysis reaction, a plurality of unit electrochemical cells are required, and an aggregate of two or more stacked electrochemical cells is referred to as an electrochemical stack.
도 3에 도시된 바와 같이, 전기화학용 스택(300)을 구성하기 위해 전기화학 셀을 적층할 때, 기본 전기화학 셀(200) 사이에 원하는 수의 단위 전기화학 셀을 반복 설치한다. 이때, 단위 전기화학 셀들 사이에는 구성요소간의 압축을 유도하는 압력패드(304)를 넣어 설치한다. 전기화학용 스택에서 단위 전기화학 셀들은 제1, 제2 엔드플레이트(202, 220)의 가장자리에 형성된 구멍을 통해 볼트(306)와 너트(310)의 결합으로 조립된다.As shown in FIG. 3, when stacking the electrochemical cells to construct the
도 4는 도 3의 전기화학용 스택과 동일 개념의 전기분해 스택을 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 시스템을 나타낸 도면이다. 도 4에 도시된 수소 발생기 시스템(400)은 전기분해 스택(420), 전기분해 스택(420)에 공급하는 물을 처리하는 수처리부, 그리고 전기분해 스택(420)에서 발생되는 수소가스를 정제하고 압력을 제어하는 가스처리부로 구성된다.4 is a view showing a system for electrolyzing water to produce hydrogen using an electrolytic stack having the same concept as that of the electrochemical stack of FIG. The
전기분해 스택(420)에 사용하는 원료인 물은 1Mega ohm cm 이상의 순수가 사용되고, 순수는 순수 공급라인(s1) 중에 설치된 자동밸브(402)의 조절에 의해 공급되며, 자동밸브(402) 조절은 산소-물 분리조(404)의 수위 감지용 레벨센서(405)에 의해 제어된다(점선 e2). 산소-물 분리조(404)의 물은 순환배관(s2) 중에 설치된 순환펌프(406)에 의해 전기분해 스택(420)으로 공급되고, 수소-물 분리기(424)에서 순환되는 순환라인(s9)과 합쳐져 열교환기(408), 수질 감지센서(410) 및 이온교환필터(412)가 설치된 배관을 거쳐, 전기분해 스택(420)의 제1 전기화학 반응실(414, 산화 반응이 일어나는 곳)로 공급된다. 한편, 전력변환장치(440)에서 전선(e1)을 통하여 전기분해 스택(420)에 직류전류가 공급되면, 물 분해 반응이 일어나게 된다.The raw water used for the
제1 전기화학 반응실(414)에서 발생한 산소와 미반응 물은 배출배관(s4)을 거쳐 산소-물 분리조(404)로 이동되고, 배출배관(s4)에는 온도를 감시하는 온도센서(416)가 설치된다. 산소-물 분리조(404)에서 분리된 산소는 산소 배출배관(s5)을 통하여 외부로 배출되며, 물은 재순환 과정을 거치게 된다.The oxygen and unreacted water generated in the first
제2 전기화학 반응실(422)에서 발생한 수소가스에는 물이 동반되며, 배출관(s6)을 거쳐 수소-물 분리조(424)로 이동되어 가스와 물이 분리된다. 수소-물 분리조(424)에는 수위 조절을 위한 수위 감지용 레벨센서(426)가 구비된다. 만약, 수소-물 분리조(424)의 수위가 일정값 이상이 되면 자동밸브(428)가 오픈되어(전기적 신호 e3) 순환라인(s9)을 거쳐 순환배관(s2)으로 공급된다.The hydrogen gas generated in the second
한편, 수소-물 분리조(424)에서 분리된 수소가스는 가스배관(s7)을 거쳐 수소가스 정제기(430)로 공급되어 수소 중에 함유된 수분이 제거된다. 일반적으로 수소가스 정제기(430)는 흡습제가 충진된 베드가 적용된다. 수소가스 정제기(430)를 거친 수소는 고순도 수소가스배관(s8)을 거쳐 수소를 필요로 하는 현장에 공급된다. 이때, 고순도 수소가스배관(s8)에는 수소의 압력을 조절하는 압력조절밸브(434)가 있어 전기분해 스택(420)에서 발생하는 수소가스의 압력이 조절된다. 압력조절밸브(434)의 전단과 후단에는 압력을 측정하는 압력센서(432, 438)가 설치되고, 가스의 흐름을 일정 방향으로 유지하는 체크밸브(436)가 설치된다.Meanwhile, the hydrogen gas separated in the hydrogen-
상기와 같은 종래의 MEA(100), 전기화학 셀(200), 전기화학용 스택(300) 및 수소 발생기 시스템(400)은 다음과 같은 특성을 갖는다.The
첫째, 도 1 내지 도 3에서 알 수 있듯이, 전자의 이동 경로는 제1 전기화학 촉매(112)→제1 확산층(102)→제1 전기화학 반응실 프레임(208)→제1 전류 공급판(206)→전력변환장치(224)→제2 전류공급판(216)→압력패드(304)→제2 전기화학 반응실 프레임(214)→제2 확산층(110)→제2 전기화학 촉매(116)로 이루어진다.First, as can be seen from FIGS. 1 to 3, the movement path of the electrons is the first
둘째, 도 1에서 알 수 있듯이, 양성자의 이동 경로는 제1 전기화학 촉매(112)→막(106)→제2 전기화학 촉매(116)로 이루어진다.Second, as can be seen from FIG. 1, the path of the proton is composed of the first
셋째, 단위 전기화학 셀은 제1 전기화학 촉매(112)에 의해 전기화학 반응이 일어나는 제1 전기화학 반응실(210)과, 제2 전기화학 촉매(116)에 의해 전기화학 반응이 일어나는 제2 전기화학 반응실(212)의 공간을 각각 갖는다. 즉, 단위 전기화학 셀은 2개의 전기화학 반응실 공간을 갖는다.Third, the unit electrochemical cell includes a first
넷째, 제1 전기화학 반응실(210)은 제1 전기화학 반응실 프레임(208)의 구조에 의해 형성되고, 제2 전기화학 반응실(212)은 제2 전기화학 반응실 프레임(214)의 구조에 의해 형성된다. 따라서, 제1, 제2 전기화학 반응실(210, 212)의 공간은 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(208, 214)이라는 고체를 통해 이동하는 전자의 경로와, 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(208, 214)의 빈공간을 통해 이동하는 가스 또는 액체인 반응물, 생성물의 경로가 충돌하면서 전자와 전해질의 이동을 위한 유로(도 2의 (가) 참조)를 제공한다.Fourth, the first
물 전기분해에 있어서 전기화학 셀의 실용화를 위한 과제로는 전기에너지 소비량 저감(연료전지의 경우 출력 밀도 향상), 내구성의 향상 및 저비용화인데, 이러한 관점에서 종래의 MEA(100), 전기화학 셀(200) 및 전기화학용 스택(300)은 다음과 같은 문제점을 갖는다.In view of the practical use of electrochemical cells in water electrolysis, reduction of electrical energy consumption (improvement of output density in the case of fuel cells), improvement of durability and cost reduction are considered. In this respect, in the
첫째, 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임이 반응실에서 생성되는 생성물인 산소로 인한 산화나 수소로 인한 수소 취성 등으로 인해 내구성을 확보할 수가 없다. First, durability of the first and second electrochemical reaction chamber frames can not be secured due to oxidation due to oxygen which is a product generated in the reaction chamber, hydrogen embrittlement due to hydrogen, and the like.
둘째, 도 1 및 도 2와 같이 제1 전기화학 촉매(112)에서 발생한 전자의 이동 경로가 한쪽 경로에서는 약 215㎛ 이상, 양쪽 경로에서는 430㎛(215x2) 이상으로 저항이 크고, 이를 도 3과 같이 전기화학용 스택(300)을 구성할 경우, 전자의 이동경로와 접촉점이 기하급수적으로 증가하게 되어 접촉점에서의 전압강하로 인한 에너지 손실이 발생되어 전기분해 효율이 감소한다. 즉, 전기분해시 에너지 소비량이 매우 커지는 단점이 있다.Second, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, the path of electrons generated in the first
셋째, 도 2와 같이 전기화학 셀(200)의 구조는 전자와 반응물/생성물이 제1 전기화학 촉매 및 제2 전기화학 촉매의 방향(즉, 같은 방향)으로 이동하는 구조를 가지고 있다. 따라서, 고체를 따라 이동하는 전자와 빈공간을 따라 이동하는 반응물/생성물의 이동 경로를 각각 확보하여야 하기 때문에, 도 2의 (가)와 같이 복잡한 유로를 가져야 함에 따른 제조비용 상승의 원인이 된다.2, the structure of the
넷째, 전기화학 셀(200)은 제1 전기화학 반응실 프레임(208)과 제2 전기화학 반응실 프레임(214), 즉 2개의 전해실로 구성되므로 전기화학용 스택(300)을 구성할 때 많은 구성요소가 요구되어 비용 상승 및 성능 저하의 원인이 된다.Fourth, since the
다섯째, 전기화학용 스택(300) 내에 복수개의 단위 전기화학 셀을 구성할 때, 각 구성요소들 사이의 접촉을 균일하게 하고, 또한 원하는 만큼의 압력을 유지하기 위해서는 구성요소의 높은 가공 정밀도가 요구되기 때문에 비용 상승이 초래된다.Fifth, when a plurality of unit electrochemical cells are formed in the
여섯째, 전기화학용 스택(300) 내에 복수개의 단위 전기화학 셀을 구성할 때, 구성요소들 사이의 접촉을 균일하게 하고, 또한 원하는 만큼의 압력을 유지하기 위해서는 엔드플레이트와 이를 결합하는 클램핑(clamping) 시스템의 구조가 복잡해지고, 볼트(306) 및 너트(310)를 이용한 클램핑에 많은 힘(torque)이 요구되어 비용 상승의 원인이 된다.Sixth, in constructing a plurality of unit electrochemical cells in the
따라서, 이 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반응실에서 생성되는 생성물인 산소나 수소 등으로 인한 부식방지 및 취화방지 등을 위해 귀금속 또는 비활성 물질을 코팅하여 구성한 부식방지층을 갖는 전기화학 반응실 프레임을 제공하고자 한다. SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an electrochemical cell having an anticorrosion layer formed by coating a noble metal or an inactive material for prevention of corrosion and prevention of brittleness caused by oxygen, hydrogen, To provide a reaction chamber frame.
또한, 이 발명은 전자 이동경로와 유체 이동 경로를 분리하여 전기에너지 소비량을 저감시키고, 내구성을 향상시키며, 제작비용을 줄일 수 있는 전기화학 셀과 전기화학용 스택을 제공하고자 한다.The present invention also provides an electrochemical cell and an electrochemical stack capable of reducing electric energy consumption, improving durability, and reducing manufacturing cost by separating an electron movement path and a fluid movement path.
또한, 이 발명은 산화반응 및 환원반응이 일어나는 전기화학 반응실 내에 2개의 MEA의 전기화학 반응층을 내장함으로써 장치를 매우 콤팩트하게 하고, 부품수를 대폭 저감하여 전기화학 셀의 제작비용을 대폭 저감하며, 전기저항의 상승 원인이 되는 접촉점을 대폭 줄여 전기분해시 전기소모량을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 운전비용을 저감할 수 있는 전기화학 셀과 전기화학용 스택을 제공하고자 한다.In addition, this invention makes the apparatus very compact by embedding the electrochemical reaction layer of two MEAs in the electrochemical reaction chamber where the oxidation reaction and the reduction reaction take place, drastically reducing the number of parts and greatly reducing the production cost of the electrochemical cell And to provide an electrochemical cell and an electrochemical stack capable of drastically reducing the amount of electricity consumed during the electrolysis, as well as reducing the operating cost, by drastically reducing the contact points that cause the increase in electrical resistance.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 전기화학 셀은, 막전극접합체와, 산화반응 또는 환원반응이 발생하고 그에 따른 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 상기 막전극접합체를 기준으로 양측에 순차적으로 배열되는 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임, 제1, 제2 절연판 및 제1, 제2 엔드플레이트와, 상기 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임에 각각 접속되어 전류를 공급하는 전력변환장치를 포함하며, 상기 막전극접합체는, 고분자 전해질 막과, 상기 고분자 전해질 막의 일측에 형성되어 산화반응이 일어나는 제1 전기화학 반응층과, 상기 고분자 전해질 막과 제1 전기화학 반응층의 사이에 형성되는 제1 전자 전도층과, 상기 고분자 전해질 막의 타측에 형성되어 환원반응이 일어나는 제2 전기화학 반응층, 및 상기 고분자 전해질 막과 제2 전기화학 반응층의 사이에 형성되는 제2 전자 전도층을 포함하고, 상기 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임은 표면이 Au 또는 TiN으로 박막 코팅된 부식방지층과, 상기 막전극접합체의 제1, 제2 전기화학 반응층을 각각 수용하는 전기화학 반응실을 각각 구비하며, 상기 막전극접합체의 제1, 제2 전자 전도층은 상기 전기화학 반응실에 각각 수용되는 상기 제1, 제2 전기화학 반응층 보다 크게 형성되어 상기 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임의 측면에 각각 밀착되어 접속되는 것을 특징으로 한다. In order to accomplish the above object, the electrochemical cell of the present invention includes a membrane electrode assembly and a membrane electrode assembly, wherein oxidation reaction or reduction reaction is generated and accordingly reactants and products are supplied and discharged, First and second electrochemical reaction chambers, first and second electrochemical reaction chambers, first and second electrochemical reaction chambers, first and second electrochemical reaction chambers and first and second end plates, Wherein the membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane, a first electrochemical reaction layer formed on one side of the polymer electrolyte membrane and performing an oxidation reaction, and a second electrochemical reaction layer formed on the first electrochemical reaction layer, A second electrochemical reaction layer formed on the other side of the polymer electrolyte membrane and subjected to a reduction reaction, and a second electrochemical reaction layer formed between the polymer electrolyte membrane and the second electroconductive layer, And a second electronic conductive layer formed between the electrochemical reaction layers, wherein the first and second electrochemical reaction chamber frames have a corrosion prevention layer whose surface is thinly coated with Au or TiN, and a second electroconductive layer formed between the first and second electrochemical reaction chambers And a second electrochemical reaction chamber, wherein the first and second electron conduction layers of the membrane electrode assembly are connected to the first and second electromagnets And is connected to the side surfaces of the first and second electrochemical reaction chamber frames, respectively.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 이 발명의 전기화학용 스택은, 상기와 같이 구성된 전기화학 셀과, 상기 전기화학 셀의 내부에 다수개의 막전극접합체를 수용하기 위해 상기 다수개의 막전극접합체의 사이에 배치되어 동일 산화반응 또는 환원반응 성질을 가지는 상기 막전극접합체의 제1 전기화학 반응층 또는 제2 전기화학 반응층을 2개씩 수용하는 전기화학 반응실을 각각 갖는 다수개의 제3 전기화학 반응실 프레임을 포함하며, 상기 전력변환장치는 상기 제3 전기화학 반응실 프레임에 접속되어 전류를 공급하고, 상기 막전극접합체의 제1, 제2 전자 전도층은 상기 제3 전기화학 반응실 프레임의 전기화학 반응실에 수용되는 상기 제1, 제2 전기화학 반응층 보다 크게 형성되어 상기 제3 전기화학 반응실 프레임의 측면에 각각 밀착되어 접속되는 것을 특징으로 한다. According to another aspect of the present invention, there is provided an electrochemical cell stack comprising: an electrochemical cell configured as described above; and a plurality of membrane electrode assemblies for accommodating a plurality of membrane electrode assemblies in the electrochemical cell, And a plurality of third electrochemical reaction chambers each having an electrochemical reaction chamber accommodating two first electrochemical reaction layers or two second electrochemical reaction layers of the membrane electrode assembly having the same oxidation reaction or reduction reaction property, Wherein the power conversion device is connected to the third electrochemical reaction chamber frame to supply current, and the first and second electron conductive layers of the membrane electrode assembly are connected to the third electrochemical reaction chamber frame The first and second electrochemical reaction chambers accommodated in the electrochemical reaction chamber of the first electrochemical reaction chamber are formed larger than the first and second electrochemical reaction chambers, And that is characterized.
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또한, 이 발명에 따르면, 상기 부식방지층은 플라즈마 코팅(plasma coating), 물리적 기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition), 화학적 기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 또는 클래딩(Cladding)에 의해 형성되는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the anti-corrosion layer is formed by plasma coating, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), or cladding .
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이 발명은 반응실에서 생성되는 생성물인 산소나 수소 등으로 인한 부식방지 및 취화방지 등을 위해 강산에 내부식성을 가지며 비교적 공정이 쉬운 Au 박막 코팅 또는 TiN 박막 코팅을 통해 내구성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.The present invention is advantageous in that it has corrosion resistance to strong acid to prevent corrosion and prevention of embrittlement due to oxygen or hydrogen which is generated in the reaction chamber, and can improve durability through Au thin film coating or TiN thin film coating which is relatively easy to process have.
또한, 이 발명은 양극 촉매→막 위의 전자 전도층→외부회로→막 위의 전자 전도층→음극 촉매 순으로 전자이동 경로가 형성되기 때문에, 양극 촉매→양극실 확산층→양극실 전류공급판→외부회로→압력패드→음극실 전류공급판→음극실 확산층→음극 촉매 순으로 전자이동 경로가 형성된 종래의 전기화학 셀보다 짧은 전자 이동 경로를 갖게 되므로, 전기화학 셀의 전류밀도-전압특성이 우수해져 전기분해시 에너지 소모량을 저감할 수 있다.Further, since the electron transport path is formed in the order of the anode catalyst → the electron conductive layer on the membrane → the external circuit → the electron conductive layer on the membrane → the anode catalyst, the anode catalyst → the anode diffusion layer → the anode chamber current supply plate → The current density-voltage characteristic of the electrochemical cell is excellent because the electrochemical cell has a shorter electron transfer path than the conventional electrochemical cell in which the electron transfer path is formed in the order of the external circuit, the pressure pad, the cathode chamber, the current supply plate, And the amount of energy consumed during electrolysis can be reduced.
또한, 이 발명은 전기화학 반응실 내에 MEA의 전기화학 반응층을 2개씩 내장하기 때문에 장치가 매우 콤팩트해지고, 전기화학용 스택을 구성할 때 종래의 전기화학 셀보다 부품수를 대폭 저감할 수 있어 전기화학 셀의 제작비용을 대폭 저감할 수 있다.Further, since the present invention includes two electrochemical reaction layers of the MEA in the electrochemical reaction chamber, the apparatus becomes very compact, and the number of parts can be significantly reduced compared to a conventional electrochemical cell when constructing an electrochemical stack The manufacturing cost of the electrochemical cell can be greatly reduced.
또한, 이 발명은 전기화학용 스택 구성시 종래의 전기화학 셀보다 구성 부품수가 대폭 저감되기 때문에, 전기저항의 상승 원인이 되는 접촉점도 종래의 전기화학 셀보다 대폭 줄일 수 있어 전기분해시 전기소모량을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 운전비용을 저감할 수 있다.In addition, the present invention greatly reduces the number of constituent parts compared to conventional electrochemical cells in the case of stacking an electrochemical cell, so that the contact point, which is a cause of increasing electrical resistance, can be significantly reduced as compared with conventional electrochemical cells. The operation cost can be reduced as well as greatly reduced.
도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀의 일부분인 MEA의 개념도이다.
도 2는 도 1의 MEA를 구비하여 물을 전기분해하는 전형적인 전기화학 셀의 구조도이다.
도 3은 종래의 일반적인 전기화학용 스택의 개념도이다.
도 4는 도 3의 전기화학용 스택을 이용해 물을 전기분해하여 수소를 생산하는 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 MEA를 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 MEA를 구비한 전기화학 셀의 구조도이다.
도 7은 도 6에 전기화학 셀을 적층하여 구성한 전기화학용 스택의 개념도이다.
도 8은 이 발명에 따른 발명예 1, 2와 비교예 1의 성능을 비교하기 위해 각각 제조한 샘플 시편의 사진들이다.
도 9는 이 발명에 따른 발명예 1과 비교예 1의 성능을 비교하기 위한 수전해 성능 곡선 그래프이다.
도 10은 종래기술의 전기화학 반응실 프레임과 이 발명의 전기화학 반응실 프레임의 실제제품을 각각 촬영한 사진들이다.
도 11은 이 발명에 따른 발명예 3과 비교예 2의 성능을 비교하는 그래프이다.
도 12는 이 발명에 따른 발명예 4와 비교예 3의 성능을 비교하는 그래프이다.1 is a conceptual diagram of an MEA that is a part of a typical electrolysis cell that produces hydrogen gas and oxygen gas by electrochemically decomposing water.
FIG. 2 is a structural view of a typical electrochemical cell having the MEA of FIG. 1 to electrolyze water.
3 is a conceptual diagram of a conventional electrochemical stack.
FIG. 4 is a view showing a system for producing hydrogen by electrolyzing water using the electrochemical stack of FIG. 3. FIG.
5 is a view showing an MEA according to an embodiment of the present invention.
6 is a structural view of the electrochemical cell having the MEA shown in FIG.
FIG. 7 is a conceptual diagram of an electrochemical stack constructed by stacking electrochemical cells in FIG.
FIG. 8 is a photograph of a sample specimen prepared to compare the performance of Inventive Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 according to the present invention.
FIG. 9 is a graph of a hydro-electric power performance curve for comparing the performance of Inventive Example 1 and Comparative Example 1 according to the present invention.
10 is a photograph of the electrochemical reaction chamber frame of the prior art and the actual product of the electrochemical reaction chamber frame of the present invention, respectively.
FIG. 11 is a graph comparing performance of Inventive Example 3 and Comparative Example 2 according to the present invention. FIG.
FIG. 12 is a graph comparing the performances of Inventive Example 4 and Comparative Example 3 according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 이 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 이 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 사용한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following detailed description of the operation principle of the preferred embodiment of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. The same reference numerals are used for portions having similar functions and functions throughout the drawings.
도 5는 이 발명의 한 실시예에 따른 MEA를 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이 발명의 한 실시예에 따른 MEA(500)는 제1 전자 전도층(506), 제1 전기화학 반응층(504), 막(502), 제2 전자 전도층(518), 제2 전기화학 반응층(508)으로 구성된다. 이때, 제1 전자 전도층(506)과 제1 전기화학 반응층(504)은 막(502)의 일측에 순차적으로 형성되고, 제2 전자 전도층(518)과 제2 전기화학 반응층(508)은 막(502)의 타측에 순차적으로 형성된다.5 is a view showing an MEA according to an embodiment of the present invention. 5, an
이 실시예의 MEA(500)에서 일어나는 물의 전기분해 반응은 다음과 같다. 여기서, 제1 전기화학 촉매는 산화반응(산소 발생반응)이 일어나고, 제2 전기화학 촉매는 환원반응(수소 발생반응)이 일어나는 것으로 하여 설명하기로 한다.The electrolysis reaction of water occurring in the
먼저, 물(H20)이 제1 전기화학 촉매(510)(산화촉매, 산소촉매)로 공급되면, 산소가스(O2), 전자(e-) 및 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해된다. 이때, 물(H20)의 일부분은 산소가스(O2)와 함께 외부로 유출되며, 분해된 수소이온(H+)은 막(502)을 통과하여 제2 전기화학 촉매(516)(환원극, 수소극)로 이동된다. 그리고, 전자는 막(502) 위에 형성된 제1 전자 전도층(506)과 외부회로(미도시)를 따라 이동된다. 한편, 제1 전자 전도층(506)과 제2 전자 전도층(518)을 연결하는 외부회로(미도시)를 따라 이동된 전자(e-)와 제1 전기화학 촉매(510)에서 분해되어 이동된 수소이온이 반응하여 수소가스가 생성된다. 그리고, 수소이온(H+)과 동반하여 막(502)을 통과한 물(H20)은 수소가스와 함께 전기분해 셀의 외부로 유출된다. 이때, 제1 전기화학 촉매(510)와 제2 전기화학 촉매(516)에서 일어나는 전기화학적 반응은 앞서 언급한 반응식 1 및 반응식 2와 같다.When water (H 2 O) is supplied to the first electrochemical catalyst 510 (oxidation catalyst, oxygen catalyst), oxygen (O 2 ), electrons (e - ) and hydrogen ions (H + . At this time, a part of water (H 2 O) flows out together with oxygen gas (O 2 ), and the decomposed hydrogen ion (H + ) passes through the
이 실시예의 막(502)은 수소이온(프로톤) 전도성을 가지는 것이면 되는데, 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질을 이용할 수 있다. 이때, 불소계 고분자 막으로는 예를 들면, 듀폰사의 Nafion(나피온, 등록상표), 아사히유리(주)의 Flemion(플레미온, 등록상표), 아사히카세이(주)의 Aciplex(아시플렉스, 등록상표), 고어사의 Gore Select(고어 셀렉트, 등록상표) 등이 이용될 수 있고, 탄화수소계 고분자 막으로는 설폰화 폴리에테르케톤, 설폰화 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리에테르에테르설폰, 설폰화 폴리설파이드, 설폰화 폴리페닐렌 등의 전해질 막이 이용될 수 있다. 이들 중에서도 고분자막으로 듀폰사의 Nafion(등록상표)계 재료를 이용하는 것이 적합하다.The
이 실시예의 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)은 막(502)의 양면에 형성되는 것으로서, 전자전도의 기능을 한다. 이때, 막(502) 위에 형성되는 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 두께는 0.1 ~ 5㎛ 이며, 바람직하게는 0.5 ~ 3㎛ 이다. 이러한 이유는 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 두께가 0.1㎛ 이하일 경우 전자 전도층을 통한 전자의 이동시 저항 증가가 발생하고, 전자 전도층의 두께가 5㎛ 이상일 경우에는 과도한 전자 전도층의 형성으로 프로톤의 이동을 방해하여 이온 전도성이 낮아지는 문제가 발생하기 때문이다. 이러한 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 재질로는 전도성이 우수한 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 루테늄, 오스뮴, 탄소, 금, 탄탈륨, 주석, 인듐, 니켈, 텅스텐, 망간 등의 금속이 가능하며 내화학성 관점에서 백금족이 바람직하다.The first and second electron conduction layers 506 and 518 of this embodiment are formed on both sides of the
이 실시예의 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)은 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)을 가지는 막(502)의 양면에 형성되는 것으로서, 촉매 잉크를 이용하여 형성된다. 제1 전기화학 반응층(504)을 위한 촉매 잉크는 적어도 제1 전기화학 촉매(510), 담체(512), 고분자 전해질 및 용매를 포함하고, 제2 전기화학 반응층(508)을 위한 촉매 잉크는 적어도 제2 전기화학 촉매(516), 담체(514), 고분자 전해질 및 용매를 포함한다.The first and second electrochemical reaction layers 504 and 508 of this embodiment are formed on both sides of the
이 실시예의 촉매 잉크에 포함되는 고분자 전해질로는 프로톤 전도성을 갖는 불소계 고분자 전해질, 탄화수소계 고분자 전해질 등이 이용될 수 있다. 그리고, 불소계 고분자 전해질로는 예를 들면, 듀폰사의 Nafion(등록상표)계 재료 등이 이용될 수 있고, 탄화수소계 고분자 전해질로는 설폰화 폴리에테르케톤, 설폰화 폴리에테르설폰, 설폰화 폴리에테르에테르설폰, 설폰화폴리설파이드, 설폰화 폴리페닐렌 등의 전해질이 이용될 수 있다. 그 중에서도 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)과 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 밀착성을 고려하면, 막(502)과 동일한 재료를 이용하는 것이 바람직하다.As the polymer electrolyte included in the catalyst ink of this embodiment, a fluorine-based polymer electrolyte having proton conductivity, a hydrocarbon-based polymer electrolyte, or the like can be used. As the fluorinated polymer electrolyte, for example, Nafion (registered trademark) material of DuPont can be used. As the hydrocarbon-based polymer electrolyte, a sulfonated polyether ketone, a sulfonated polyether sulfone, a sulfonated polyether ether Sulfone, sulfonated polysulfide, sulfonated polyphenylene and the like can be used. The same material as that of the
이 실시예에서 이용하는 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516)로는 백금이나 팔라듐, 루테늄, 이리듐, 로듐, 오스뮴의 백금족 원소 외, 철, 납, 구리, 크롬, 코발트, 니켈, 망간, 바나듐, 몰리브덴, 갈륨, 알루미늄 등의 금속 또는 이들의 합금, 또는 산화물, 복산화물(複酸化物) 등이 사용될 수 있는데, 전극 반응성이 뛰어나고, 전극 반응을 효율적으로 안정되게 장기간 사용하기 위해 백금, 팔라듐, 로듐, 루테늄 및 이리듐에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 금속 또는 산화물이 사용되는 게 바람직하다.Examples of the first and second
이 실시예의 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516)는 입경이 너무 크면 촉매의 활성이 저하하고, 입경이 너무 작으면 촉매의 안정성이 저하하기 때문에, 입경은 0.5~20㎚가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 1~5㎚이다.In the first and second
한편, 촉매를 담지하는 담체(또는 담지체)(512, 514)는 전자 전도성의 분말로 티타늄산화물, 카본 입자가 사용된다. 이들 담체는 미립자 형상으로 도전성을 가지고, 또한 촉매에 침범되지 않는 것이면 어떠한 것이 사용되더라도 상관은 없으나, 티타늄 산화물, 카본블랙, 그래파이트, 흑연, 활성탄, 카본 파이버, 카본 나노튜브, 풀러린(fullerene)이 사용되는 게 바람직하다.On the other hand, titanium oxide and carbon particles are used as the electron conductive powder (or carrier) for supporting the catalysts (512 and 514). These carriers are not particularly limited as long as they have a conductivity in the form of fine particles and can not penetrate into the catalyst. However, titanium oxide, carbon black, graphite, graphite, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, fullerene .
그리고, 담체(512, 514)는 입경이 너무 작으면 전자 전도 패스(electron conductive path)가 형성되기 어려워지고, 입경이 너무 크면 담체 위에 형성된 전극 촉매층으로의 가스 확산성이 저하하거나 촉매의 이용률이 저하하므로, 입경은 10~1,000㎚가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 10~100㎚이다.If the particle diameter of the
이 실시예의 막(502)의 크기(Dc)는 도 6에서 설명되는 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)의 크기 이상이고, 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 크기(Db)는 도 6에서 설명되는 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)의 크기 이하이며, 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)의 크기(Da)는 제1, 제2 전기화학 반응실(608, 610)의 내부 면적과 일치하게 제작되는 것이 바람직하다.The size Dc of the
아래에서는 이 발명의 실시예에 따른 MEA의 제조방법에 대해 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing an MEA according to an embodiment of the present invention will be described.
제1 공정 : 막(502)의 전처리 공정Step 1: Pretreatment of the
막(502)의 전처리는 기계적 방법으로 막의 표면을 거칠게 하고, 막(502) 내에 존재하는 유기, 무기 불순물을 물리적, 화학적으로 처리하는 공정이다. 이에 대한 자세한 과정은 후술하기로 한다.The pretreatment of the
제2 공정 : 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 형성 공정Step 2: Step of forming first and second electron
제1 공정에서 얻은 막(502)을 금속 전구체 용액에 일정시간 동안 침적시킨 후 환원 과정을 거쳐 막(502) 위에 전자전도 기능을 갖는 금속 박막층을 형성시킨다. 이때, 금속 박막층의 두께는 침적 환원 과정을 반복하여 형성시킨다. 이에 대한 자세한 과정은 후술하기로 한다.The
제3 공정 : 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)의 형성 공정Step 3: Process of forming the first and second electrochemical reaction layers 504 and 508
제2 공정에서 얻은 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)을 가지는 막(502) 위에 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)을 형성시키는 공정으로 촉매 합성 공정, 촉매 잉크 제조 공정, 촉매 잉크 전사 공정, 및 열압착 공정으로 구성된다. 상기 촉매 합성 공정은 원하는 촉매의 전구체와 산화제와의 반응을 통하여 혼합 산화물을 얻고, 이를 건조하여 분말 구조의 전기화학 촉매를 얻는 공정이고, 촉매 잉크 제조 공정은 촉매 합성 공정에서 합성한 전기화학 촉매와 분체, 분산제, 막(502) 재질의 바인더 등을 혼합한 촉매잉크를 제조하는 공정이다. 또한, 촉매 잉크 전사 공정은 촉매 잉크 제조 공정에서 제조된 촉매 잉크를 스프레이 등을 이용하여 테프론 시트위에 전사한 후 건조하는 공정이고, 열압착 공정은 제2 공정에서 얻어진 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)을 가지는 막(502)의 양면에 촉매 잉크 전사 공정에서 얻어진 테프론 시트를 고착한 후, 이를 핫프레스 등을 이용하여 열압착하는 공정이다. 이에 대한 자세한 과정은 후술하기로 한다.The step of forming the first and second electrochemical reaction layers 504 and 508 on the
도 6은 도 5에 도시된 MEA를 구비한 전기화학 셀의 구조도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 전기화학 셀(600)은 제1 엔드플레이트(602), 제1 절연판(604), 제1 전기화학 반응실 프레임(606), 제1 전기화학 반응실(608), MEA(500), 제2 전기화학 반응실(610), 제2 전기화학 반응실 프레임(612), 제2 절연판(614), 및 제2 엔드플레이트(616)로 구성되며, 전기화학 셀(600)을 구동하기 위해 직류전원 공급장치가 전력변환장치(618)로 사용된다.6 is a structural view of the electrochemical cell having the MEA shown in FIG. 6, the
제1 엔드플레이트(602)와 제2 엔드플레이트(616)에는 전기화학 셀(600)의 조립을 위한 볼트/너트 체결 구멍(미도시)이 형성되고, 또한 반응물 및 생성물이 이동하는 통로(미도시)가 제공된다. 제1 절연판(604)과 제2 절연판(614)은 제1 엔드플레이트(602)와 제2 엔드플레이트(616) 사이의 전기분해 구성요소와 전기적 절연 기능을 하며, 제1 전기화학 반응실 프레임(606)과 제2 전기화학 반응실 프레임(612)은 전력변환장치(618)와 연결되어 전기화학 셀(600)에 필요한 전류를 공급하는 역할을 한다.A bolt / nut fastening hole (not shown) for assembling the
이 실시예의 전기화학 셀(600)은 산화 반응(산소 반응)이 일어나는 제1 전기화학 반응실(608)과 환원 반응(수소 반응)이 일어나는 제2 전기화학 반응실(610)이 MEA(500)를 중심으로 서로 마주보는 형태를 갖는다. 한편, 제1 전기화학 반응실 프레임(606)은 제1 전기화학 반응실(608)과 외부를 차단하는 역할을 하고, 제2 전기화학 반응실 프레임(612)은 제2 전기화학 반응실(610)과 외부를 차단하는 역할을 하는 것으로서, 이러한 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)은 MEA(500)를 중심으로 서로 마주보는 형태를 갖는다.In the
제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)은 전기화학 셀(600)에 필요한 반응물 또는 전기화학 반응에 의해 생성된 생성물의 유입 및 유출이 용이하도록 적당한 홀을 가지며, 전류의 인출 및 인가를 위한 터미널 등을 구비할 수 있다.The first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 have holes suitable for facilitating the flow of the reactants necessary for the
한편, 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)은 그 재료로 티타늄(Ti) 등을 이용한다. 그런데, 이러한 티타늄 모재의 경우에도, 예를 들어 반응실에서 생성되는 생성물인 산소로 인한 산화나 수소로 인한 수소 취성 등이 발생한다. 따라서, 이 실시예의 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)은 반응실에서 생성되는 생성물인 산소나 수소 등으로 인한 부식방지 및 취화방지 등을 위해 강산에 내부식성을 가지며 비교적 공정이 쉬운 Au 박막 코팅 또는 TiN 박막 코팅을 통해 표면에 부식방지층을 갖도록 구성한 것이다.On the other hand, the first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 use titanium (Ti) or the like as their material. However, even in the case of such a titanium base material, for example, oxidation due to oxygen which is a product produced in the reaction chamber, hydrogen embrittlement due to hydrogen, and the like occur. Accordingly, the first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 of this embodiment have corrosion resistance to strong acids for preventing corrosion and prevention of embrittlement due to oxygen, hydrogen, etc., which are generated in the reaction chamber, Easy Au thin film coating or TiN thin film coating on the surface.
상기와 같이 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)의 표면에 Au 박막 코팅 또는 TiN 박막 코팅을 통해 부식방지층을 형성함에 있어서는, 먼저 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)을 구성하는 Ti 소재를 5~10wt%의 60℃ 옥살산에 약 30분 동안 투입하여 전처리를 실시한다. 이렇게 Ti 소재의 전처리를 진행하면 Ti이 옥살산 성분과 반응하여 Ti-C 결합을 통해 갈색에서 황색 빛의 표면 Ti 에칭 물질이 배출되기 시작한다. 이러한 갈색 코팅액의 조성이 30분 동안의 전처리 과정 중에 진해지면, Ti 소재를 에칭 용액에서 제거하고 과량의 물로 세척한다.In forming the corrosion prevention layer through the Au thin film coating or the TiN thin film coating on the surfaces of the first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 as described above, the first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 , 612) is put into 5 to 10 wt% of 60 ° C oxalic acid for about 30 minutes to perform pretreatment. When the pretreatment of the Ti material proceeds, Ti reacts with the oxalic acid component and begins to discharge the yellowish surface Ti etchant from the brown through the Ti-C bond. If the composition of this brown coating solution is diluted during the pretreatment for 30 minutes, the Ti material is removed from the etching solution and washed with excess water.
그리고, 전처리 과정 중에 생성된 불순물들을 약 10분 동안 증류수에서 초음파 세척하여 Ti 소재 위에 부착되어 있는 에칭 입자들을 깨끗이 제거한다. 그런 다음, 먼지 등이 Ti 소재의 표면에 부착되지 않도록 건조 오븐기에서 건조를 거친 후, Ti 소재를 Au 또는 TiN 타겟(target)이 있는 플라즈마 코팅기(plasma coating) 또는 물리적 기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition), 화학적 기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 장비에 도입한 후에 진공, 가열 상태를 유지하여 약 5 ~10㎚ 수준의 부식방지층을 표면에 코팅하여 이 실시예의 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)을 완성한다. 한편, 부식방지층은 클래딩(Cladding) 등에 의해서도 형성가능하다. Then, impurities generated during the pretreatment process are ultrasonically cleaned in distilled water for about 10 minutes to cleanly remove etch particles adhered on the Ti material. Then, after drying in a drying oven to prevent dust or the like from adhering to the surface of the Ti material, the Ti material is subjected to plasma coating or physical vapor deposition (PVD) with an Au or TiN target ) And a CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus, and then the surface of the substrate is coated with a corrosion inhibiting layer of about 5 to 10 nm in a vacuum and heated state to form first and second electrochemical reaction chambers Frames 606 and 612 are completed. On the other hand, the corrosion preventing layer can also be formed by cladding or the like.
도 7은 도 6에 전기화학 셀을 적층하여 구성한 전기화학용 스택의 개념도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 이 실시예의 전기화학용 스택(700)은 기본 전기화학 셀(600)의 사이에 원하는 수(예를 들면, n개)의 단위 전기화학 셀을 반복 설치하여 구성한 것이다. 이때, 단위 전기화학 셀의 사이에는 MEA(500)가 다수개 설치되고, MEA(500)의 양측에는 제1 전기화학 반응실(702) 또는 제2 전기화학 반응실(704)을 각각 갖는 제3 전기화학 반응실 프레임(613)이 교대로 배치되게 반복 설치된다.FIG. 7 is a conceptual diagram of an electrochemical stack constructed by stacking electrochemical cells in FIG. 7, the
제1 전기화학 반응실(702)은 제1 MEA(708a)의 제1 전기화학 반응층(710a)과 제2 MEA(708b)의 제2 전기화학 반응층(710b)을 수용하는 구조를 가지며, 제2 전기화학 반응실(704)은 제2 MEA(708b)의 제2 전기화학 반응층(712b)과 제3 MEA(708c)의 제3 전기화학 반응층(712c)을 수용하는 구조를 갖는다. 즉, 각각의 전기화학 반응실에는 동일 산화반응 또는 환원반응 성질을 가지는 전기화학 반응층이 각각 2개씩 수용된다.The first
제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)은 제1, 제2 전기화학 반응실(702, 704)을 외부와 각각 차단하는 역할을 한다. 한편, 제1, 제2, 제3 전기화학 반응실 프레임(606, 612, 613)에는 전력변환장치(618)가 연결되는데, 각각의 전기화학 반응의 환경을 제공하기 위해 산화반응을 유도하는 경우에는 (+)극이 전력변환장치(618)와 연결되고, 환원반응을 유도하는 경우에는 (-)극이 전력변환장치(618)와 연결된다.The first and second electrochemical reaction chamber frames 606 and 612 serve to cut off the first and second
한편, 제3 전기화학 반응실 프레임(613)은 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임(606, 612)과 동일한 재료인 티타늄(Ti) 등을 이용한다. 따라서, 이 실시예의 제3 전기화학 반응실 프레임(613) 또한 반응실에서 생성되는 생성물인 산소나 수소 등으로 인한 부식방지 및 취화방지 등을 위해 강산에 내부식성을 가지며 비교적 공정이 쉬운 Au 박막 코팅 또는 TiN 박막 코팅을 통해 표면에 부식방지층을 갖도록 구성한 것이다. 이러한 제3 전기화학 반응실 프레임(613)의 부식방지층 또한 앞서 설명한 동일한 방법을 통해 형성된다.On the other hand, the third electrochemical
이 실시예의 전기화학용 스택(700) 내 전기화학 셀들은 제1, 제2 엔드플레이트(602, 616)에 형성된 구멍을 통해 볼트 및 너트의 결합으로 조립된다. The electrochemical cells in the
아래에서는 이 실시예의 발명예들에 대한 전기화학 반응실 프레임의 제조방법에 대해 각각 구체적으로 설명함과 더불어, 이를 통해 제조된 이 발명예들과 비교예 서로 간의 실험결과에 대해 설명한다. 하지만, 이 발명이 아래의 발명예들로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the method of manufacturing the electrochemical reaction chamber frame according to the embodiments of the present invention will be described in detail, and experimental results of the inventive and comparative examples will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
[발명예 1][Description 1]
1. 전기화학 반응실 프레임용 샘플 제조1. Sample preparation for electrochemical reaction room frame
(1) 제1 공정 : 전처리 공정(1) First step: Pretreatment step
전기화학 반응실 프레임을 구성하는 Ti 소재를 5~10wt%의 60℃ 옥살산에 약 30분 동안 투입하여 전처리를 실시한다. 이렇게 Ti 소재의 전처리를 진행하면 Ti이 옥살산 성분과 반응하여 Ti-C 결합을 통해 갈색에서 황색 빛의 표면 Ti 에칭 물질이 배출되기 시작한다. 이러한 갈색 코팅액의 조성이 30분 동안의 전처리 과정 중에 진해지면, Ti 소재를 에칭 용액에서 제거하고 과량의 물로 세척한다.The Ti material constituting the electrochemical reaction chamber frame is pre-treated by putting it in 5 ~ 10wt% of 60 ℃ oxalic acid for about 30 minutes. When the pretreatment of the Ti material proceeds, Ti reacts with the oxalic acid component and begins to discharge the yellowish surface Ti etchant from the brown through the Ti-C bond. If the composition of this brown coating solution is diluted during the pretreatment for 30 minutes, the Ti material is removed from the etching solution and washed with excess water.
그리고, 전처리 과정 중에 생성된 불순물들을 약 10분 동안 증류수에서 초음파 세척하여 Ti 소재 위에 부착되어 있는 에칭 입자들을 깨끗이 제거한다. 그런 다음, 먼지 등이 Ti 소재의 표면에 부착되지 않도록 건조 오븐기에서 건조작업을 수행한다.Then, impurities generated during the pretreatment process are ultrasonically cleaned in distilled water for about 10 minutes to cleanly remove etch particles adhered on the Ti material. Then, a drying operation is performed in a drying oven so that dust, etc. do not adhere to the surface of the Ti material.
(2) 제2 공정 : Au 박막 코팅층(부식방지층) 형성 공정(2) Step 2: Process of forming an Au thin film coating layer (corrosion inhibiting layer)
Ti 소재를 Au 타겟(target)이 있는 플라즈마 코팅기에 도입한 후에 진공, 가열 상태를 유지하여 약 5 ~10㎚ 수준의 Au 박막 코팅층(부식방지층)을 표면에 갖는 Ti-Au 샘플(도 8 참조)을 준비하였다.A Ti-Au sample (see FIG. 8) having a Au thin film coating layer (anti-corrosion layer) on the surface at a level of about 5 to 10 nm was maintained in a vacuum and heating state after introducing the Ti material into a plasma coating machine having an Au target. Were prepared.
2. 전기분해 셀 제조2. Electrolysis cell manufacturing
양극(Anode) 및 음극(cathode)의 전기화학 반응실 프레임 모두에 부식방지층을 갖는 샘플과 그렇지 않은 샘플을 비교 확인하기 위해, 가운데에 MEA를 삽입한 후 양쪽 극에 확산층(diffusion layer)을 추가하고 가스켓(gasket)을 추가하여 수전해용 전기분해 셀을 제조한 후, 80℃, 상압에서 전류밀도별로 셀의 전압을 확인하였다. 이때, MEA는 nafion 117 고분자 전해질막을 사용하였고, 양극에는 IrRuO2, 음극에는 PtC를 각기 이오노머(ionomer)를 혼합하여 코팅한 후, Ti 확산층(diffusion layer)과 카본 페이퍼(carbon paper)를 각각의 확산층으로 열압착하여 제조하였다. Electrochemical Reaction of Anode and Cathode In order to compare a sample with a corrosion resistant layer to a sample with no corrosion layer in both chambers, a MEA was inserted in the middle and a diffusion layer was added to both poles After adding electrolytic cell for electrolysis by adding gasket, cell voltage was checked by current density at 80 ℃ and at atmospheric pressure. In this case, a nafion 117 polymer electrolyte membrane was used as the MEA, IrRuO 2 was used for the anode, and PtC was used for the anode. Then, a Ti diffusion layer and a carbon paper were coated with an ionomer, Lt; / RTI >
3. 내부식성 평가3. Evaluation of corrosion resistance
발명예 1에 대한 강한 산성 조건에서의 내부식성을 확인하기 위해 도 8의 Ti-Au 샘플에 대해 1M 황산, 상온 조건에서 부식전류를 모니터링 하였다. 이때, 반응면적은 1㎠ 노출하여 반응하였고, 부식전류 스캔 속도는 0.167 ㎷/s 으로 고정하여 측정하되, -0.25 ~ 1.8V까지 스캔하여 부식전류를 확인하였다.The corrosion current was monitored at 1 M sulfuric acid, room temperature conditions for the Ti-Au sample of FIG. 8 to confirm corrosion resistance under strong acidic conditions for Inventive Example 1. At this time, the reaction area was exposed by 1
[발명예 2][Advantage 2]
1. 전기화학 반응실 프레임용 샘플 제조1. Sample preparation for electrochemical reaction room frame
(1) 제1 공정 : 전처리 공정(1) First step: Pretreatment step
발명예 1과 동일한 방법 및 조건으로 전처리하였다. Treated in the same manner and under the same conditions as in Example 1.
(2) 제2 공정 : TiN 박막 코팅층(부식방지층) 형성 공정(2) Step 2: Process of forming TiN thin film coating layer (corrosion inhibiting layer)
Ti 소재를 TiN 타겟(target)이 있는 플라즈마 코팅기에 도입한 후에 진공, 가열 상태를 유지하여 약 5 ~10㎚ 수준의 TiN 박막 코팅층(부식방지층)을 표면에 갖는 TiN 샘플(도 8 참조)을 준비하였다.Ti material was introduced into a plasma coating machine having a TiN target, and then a TiN sample (see FIG. 8) having a TiN thin film coating layer (corrosion inhibiting layer) on the surface of about 5 to 10 nm in a vacuum state was maintained Respectively.
2. 전기분해 셀 제조2. Electrolysis cell manufacturing
발명예 1과 동일한 방법 및 조건으로 제조하였다.Was prepared in the same manner and under the same conditions as described in Preparation Example 1.
3. 내부식성 평가3. Evaluation of corrosion resistance
발명예 1과 동일한 방법 및 조건으로 평가하였다.And evaluated in the same manner and under the same conditions as in Inventive Example 1.
[비교예 1][Comparative Example 1]
1. 전기화학 반응실 프레임용 샘플 제조1. Sample preparation for electrochemical reaction room frame
발명예 1, 2와 동일한 Ti 소재를 Ti 샘플(도 8 참조)로 준비하였다. A Ti material identical to Inventive Examples 1 and 2 was prepared as a Ti sample (see FIG. 8).
2. 전기분해 셀 제조2. Electrolysis cell manufacturing
발명예 1과 동일한 방법 및 조건으로 제조하였다.Was prepared in the same manner and under the same conditions as described in Preparation Example 1.
3. 내부식성 평가3. Evaluation of corrosion resistance
발명예 1과 동일한 방법 및 조건으로 평가하였다.And evaluated in the same manner and under the same conditions as in Inventive Example 1.
[발명예 1, 2와 비교예 1의 평가][Evaluation of Inventive Examples 1 and 2 and Comparative Example 1]
아래의 표 1은 부식방지층(내부식성 코팅 처리) 유무에 따른 전류밀도(Current density)별 셀의 조전압(Cell voltage) 특성을 실험한 결과이고, 도 9는 그에 대한 그래프이다. Table 1 below shows the results of experiments on the cell voltage characteristics of the cells according to the current density with and without the corrosion-resistant layer (corrosion-resistant coating treatment), and FIG. 9 is a graph thereof.
상기 표 1 및 도 9의 결과에서 알 수 있듯이, 내부식성 코팅을 한 경우, 즉 티타늄 모재보다 전기전도성이 우수한 Au 소재를 표면에 코팅함으로써, 내부식성 뿐만 아니라 전기전도성의 물성 또한 향상되었음을 알 수 있다. 이는 내부식성 코팅이 단순히 내부식성의 성능향상 뿐만 아니라 전기전도성이 향상되는 성능의 우수한 결과를 입증한다. As can be seen from the results of Table 1 and FIG. 9, it can be seen that when the corrosion-resistant coating is applied, that is, by coating an Au material having excellent electric conductivity over the titanium base material, the corrosion resistance as well as the physical properties of the electric conductivity are improved . This demonstrates the excellent results of the performance in which the corrosion resistant coating improves not only the performance of corrosion resistance but also the electrical conductivity.
아래의 표 2는 1M 황산, 상온 조건에서 Ti의 부식 전류 측정 결과이다. Table 2 below shows the measurement results of corrosion current of Ti under 1M sulfuric acid and normal temperature conditions.
(mmpy)Corrosion rate
(mmpy)
(Ti-Au)Inventory 1
(Ti-Au)
(TiN)
(TiN)
(Bare Ti)Comparative Example 1
(Bare Ti)
상기 표 2의 결과에서 알 수 있듯이, 부식이 진행되는 속도가 비교예 1(Bare Ti)이 가장 빨랐고, Nitrate 코팅한 발명예 2(TiN)가 가장 낮은 결과를 나타내었다. 한편, Au를 코팅한 발명예 1(Ti-Au)의 경우 비교예 1에 의해 부식속도가 약 80% 감소함을 확인하였다. As can be seen from the results of Table 2, the rate of corrosion progression was the fastest in Comparative Example 1 (Bare Ti) and the nitrate-coated Invention 2 (TiN) showed the lowest result. On the other hand, in the case of Inventive Example 1 (Ti-Au) coated with Au, it was confirmed by Comparative Example 1 that the corrosion rate was reduced by about 80%.
도 10은 Ti 소재로 제조된 종래기술의 전기화학 반응실 프레임과, Ti 소재의 표면에 Au의 부식방지층을 갖는 본 발명의 전기화학 반응실 프레임의 실제제품을 각각 촬영한 사진들이다. 10 is a photograph of an actual electrochemical reaction chamber frame of the present invention having an electrochemical reaction chamber frame made of a Ti material and an anti-corrosion layer of Au on the surface of a Ti material.
아래에서는 이 실시예의 발명예들과 기존의 비교예들에 대한 막전극접합체의 제조방법에 대해 각각 구체적으로 설명함과 더불어, 서로 간의 실험결과에 대해 설명한다. 하지만, 이 발명이 아래의 발명예들로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the embodiments of the present invention and the method of manufacturing the membrane electrode assembly according to the prior art comparative examples will be described in detail, and the experimental results of each other will be described. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
[발명예 3][Practical Example 3]
1. MEA(500) 제조1. Manufacture of
(1) 제1 공정 : 막(502)의 전처리 공정(1) First process: Pretreatment process of the
막(502, 나피온 117)은 샌드페이퍼(Emery Sand Paper 1100CW)를 이용하여 4 방향으로 양면을 스크래칭한 후 90℃ 순수에서 팽윤 공정을 거친다. 팽윤 공정을 거친 막을 순수에서 초음파 처리를 통해 불순물을 제거하고, 3% 과산화수소(H2O2), 90℃ 0.5~1M황산(H2SO4)에서 각각 30분 동안 처리 후 다시 상기의 순수 공정을 반복한다.The membrane (502, Nafion 117) is scrubbed on both sides in four directions using a sand paper (Emery Sand Paper 1100CW), and then subjected to a swelling process at 90 ° C pure water. The swollen membrane was removed from the pure water by ultrasonic treatment and treated for 30 minutes with 3% hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and 0.5 to 1 M sulfuric acid (H 2 SO 4 ) at 90 ° C., .
(2) 제2 공정 : 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)의 형성 공정(2) Second Step: Step of Forming the First and Second Electron Conductive Layers 506 and 518
제1 공정을 거친 막(502)을 염화백금화물((NH3)4PtCl2*H2O) 전구체 용액에 5 시간 동안 침적시킨다. 침적과정을 거친 고분자 전해질 막을 순수로 세척하고, 금속 전구체를 환원시키기 위해 NaBH4 용액을 나누어 20분에 한번씩 총 2시간 동안 적하한다. 환원이 끝난 전자층을 갖는 고분자 전해질 막은 90℃에서 NaOH 용액에 1 시간 동안 담가서 처리한 후 순수로 다시 세척하여 상기의 함침 환원 과정을 원하는 수 만큼 반복하여 막(502) 위에 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)을 형성한다.The
(3) 제3 공정 : 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508) 형성 공정(3) Third step: Step of forming first and second electrochemical reaction layers 504 and 508
제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)의 형성 공정은 제1, 제2 전자 전도층(506, 518)을 갖는 막(502) 위에 제1, 제2 전기화학 반응층(504, 508)을 형성시키는 공정으로서, 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516) 합성 공정, 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516) 잉크 제조 공정, 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516) 잉크 전사 공정, 및 열압착 공정으로 구성된다.The first and second electrochemical reaction layers 504 and 508 are formed on the first and second electrochemical reaction layers 504 and 508 on the
(3-1) 제3-1 공정 : 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516)의 합성 공정(3-1) Step 3-1: Synthesis of the first and second
(3-1-1) 제1 전기화학 촉매(510)의 합성(3-1-1) Synthesis of first
질산나트륨 용액에서의 염화 이리듐(IrCl3·xH2O)과 염화 루테늄(RuCl3·xH2O)의 반응을 통하여 산화된 이리듐루테늄 혼합 촉매를 제조하였다. 그리고, 질산나트륨을 녹인 용액에 염화이리듐과 염화루테늄을 2시간가량 교반하여 균일하게 녹였다. 상기에서 제조한 혼합 촉매 용액을 100℃로 가열하여 증류수를 1시간 동안 증발시켜 농축시킨 다음, 전기로에서 475℃에서 1시간 동안 소결한 후 서서히 냉각시켰다. 그런 다음, 생성된 염화나트륨의 제거를 위하여 9L의 증류수로 세척 처리하여 여과시켰다. 얻어진 고형물을 80℃에서 12시간 동안 건조시켜 최종적인 이리듐루테늄 전기화학 혼합 촉매를 제조하였다.Through the reaction of iridium chloride (IrCl 3 · xH 2 O) and ruthenium chloride (RuCl 3 · xH 2 O) of the sodium nitrite solution was prepared in the ruthenium mixed oxide of iridium catalyst. Then, iridium chloride and ruthenium chloride were dissolved in a solution of sodium nitrate, which was stirred for about 2 hours and dissolved homogeneously. The mixed catalyst solution prepared above was heated to 100 ° C., distilled water was evaporated for 1 hour, concentrated, and sintered in an electric furnace at 475 ° C. for 1 hour and then slowly cooled. Then, it was washed with 9 L of distilled water for filtration to remove sodium chloride produced. The resulting solid was dried at 80 DEG C for 12 hours to prepare a final iridium ruthenium electrochemical mixed catalyst.
(3-1-2) 제2 전기화학 촉매(516)의 합성(3-1-2) Synthesis of second
제2 전기화학 촉매(516)로는 상용화된 Pt/C(Premetek사, 백금담질량 30%)를 사용하였다. As the second
(3-2) 제3-2 공정 : 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516)의 잉크 제조 공정(3-2) Step 3-2: The ink manufacturing process of the first and second
(3-2-1) 제1 전기화학 촉매(510, 산소측 촉매)용 잉크 제조(3-2-1) Production of ink for first electrochemical catalyst (510, oxygen side catalyst)
제3-1 공정에서 제조된 산화 이리듐루테늄 촉매, 담체로는 나노 사이즈의 이산화 티타늄, 바인더로는 나피온 용액을 사용하였으며, 사용된 촉매와 Nafion ionomer는 고체 중량 대비 1:3.5가 되도록 이소프로필 알코올 용매에 혼합하였다. 촉매의 분산을 위하여 교반과 초음파를 번갈아 1시간씩 2번 처리하였다.The iridium oxide ruthenium catalyst prepared in the step 3-1, nano-sized titanium dioxide as a carrier and Nafion solution as a binder were used. The catalyst and Nafion ionomer used were isopropyl alcohol And mixed in a solvent. To disperse the catalyst, stirring and ultrasonic treatment were alternately performed twice for 1 hour each.
(3-2-2) 제2 전기화학 촉매(516, 수소측 촉매)용 잉크 제조(3-2-2) Ink for Second Electrochemical Catalyst (516, Hydrogen Catalyst)
제2 전기화학 촉매(516)로 Pt/C(Premetek사, 백금담질량 30%), 바인더로 나피온 용액(등록상품, 듀폰사)을 사용하였다. 사용된 촉매와 Nafion 용액은 고체 중량 대비 1:7.5가 되도록 이소프로필 알코올 용매에 혼합하였다. 촉매의 분산을 위하여 교반과 초음파를 번갈아 1시간씩 2번 처리하였다.As the second
(3-3) 제3-3 공정 : 제1, 제2 전기화학 촉매(510, 516)의 전사 공정(3-3) Step 3-3: Step of transferring the first and second
(3-3-1) 제1 전기화학 반응층(504) 전사(3-3-1) Transferring the first
폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 시트를 전사 시트로서 사용하였다. 제3-2 공정에서 얻은 제1 전기화학 촉매(510) 잉크를 전기방사(Electrospray) 전용 주사기에 옮기고, 촉매 잉크를 기재 위에 전사한 후 대기 분위기 중 90℃에서 30분간 건조시킴으로써 전기화학 촉매층을 제작하였다. 제1 전기화학 반응층(504)의 두께는 산화물 촉매 담지량이 약 4㎎/㎠가 되도록 조절하였다.A polytetrafluoroethylene (PTFE) sheet was used as the transfer sheet. The first
(3-3-2) 제2 전기화학 반응층(508) 전사(3-3-2) Transfer of the second
제3-2 공정에서 얻은 제2 전기화학 촉매(516) 잉크를 전기방사(Electrospray) 전용 주사기에 옮기고, 카본 시트에 전사한 후 대기 분위기 중 90℃에서 30분간 건조시킴으로써 전기화학 촉매층을 제작하였다. 제2 전기화학 반응층(508)의 두께는 산화물 촉매 담지량이 약 1㎎/㎠가 되도록 조절하였다.The second
(3-4) 제3-4 공정 : 열압착 공정(3-4) Step 3-4: Thermo-compression process
(3-4-1) 제1 전기화학 반응층(504) 형성(3-4-1) Formation of first
제2 공정에서 얻은 막(502) 위에 제3-3 공정에서 얻은 테프론 시트 위로 로딩된 제1 전기화학 촉매(510)를 120℃의 조건에서 10MPa의 압력으로 3분 동안 두 번 열압착을 하였다. 테프론 시트를 제거하여 촉매를 전사시켰다. The first
(3-4-2) 제2 전기화학 반응층(508) 형성(3-4-2) Formation of the second
상기에서 제작된 제1 전기화학 반응층(504)이 결합된 막(502)의 반대쪽 표면에 상기에서 제조된 제2 전기화학 촉매(516)가 로딩된 카본시트를 120℃의 조건에서 10MPa의 압력으로 2분 동안 열압착 처리를 하여 도 5에 도시한 것과 같은 MEA(500)를 얻었다.The carbon sheet on which the second
2. 평가용 전기화학 셀 및 평가 시스템2. Evaluation electrochemical cell and evaluation system
발명예 3과 같이 구성되어 전자 전도층의 두께가 2㎛인 MEA(전기화학적 활성면적(Da=9㎠))에 티타늄 파이버 섬유를 제1 확산층(102)으로 카본 파이버 섬유를 제2 확산층(110)으로 끼워 지지하도록 붙이고, 도 2와 같은 평가용 셀을 이용하여 평가하였다. 이때, 확산층을 끼워 지지하는 방식은 핫프레스(Hot-press) 장비를 사용하여 대략 80~200℃ 사이의 고온에서 약 1~20Mpa 범위의 압력으로 양쪽 확산층을 MEA에 압착시켜 지지하도록 하였다. 셀 온도는 80℃(도 4의 416 온도센서)를 유지했고, 전기분해 셀의 전류-전압 측정을 하였다. 한편, 수소의 배출 압력(도 4의 s8, 434를 이용하여 조절)은 약 10bar로 유지하였다.A titanium fiber fiber was used as a
3. 측정 결과3. Measurement results
도 11에 나타낸 바와 같이, 발명예 3에 의해 제작된 MEA는 전류밀도가 증가하더라도 전압의 변화가 작은 것을 알 수 있다.As shown in Fig. 11, it can be seen that the MEA fabricated by Inventive Example 3 has a small change in voltage even when the current density increases.
[비교예 2][Comparative Example 2]
1. MEA 제조(종래 방법에 따른 MEA 제조)1. Preparation of MEA (MEA preparation according to the conventional method)
막의 전처리 공정과 제1, 제2 전기화학 반응층의 형성 공정은 발명예 3과 각각 동일한 방법 및 조건으로 진행되었고, 제1, 제2 전자 전도층의 형성 공정은 발명예 3과의 비교를 위해 진행되지 않았다.The pretreatment process of the film and the process of forming the first and second electrochemical reaction layers proceeded under the same method and conditions as those of Inventive Example 3 and the process of forming the first and second electron conductive layers was performed for comparison with Inventive Example 3 It did not progress.
2. 평가용 전기화학 셀 및 평가 시스템2. Evaluation electrochemical cell and evaluation system
비교예 2의 MEA(전기화학적 활성면적 314㎠)를 발명예 3의 전기화학 셀 및 평가 시스템에서 동일한 평가를 수행하였다.The same evaluation was performed on the MEA (electrochemically active area: 314 cm 2) of Comparative Example 2 in the electrochemical cell and evaluation system of Inventive Example 3.
3. 측정 결과3. Measurement results
도 11에 나타낸 바와 같이, 전류밀도가 증가할수록 전압이 상당히 증가하는 것을 알 수 있다.As shown in Fig. 11, it can be seen that the voltage significantly increases as the current density increases.
[발명예 3과 비교예 2의 평가][Evaluation of Inventive Example 3 and Comparative Example 2]
도 11은 발명예 3과 비교예 2에 대한 MEA의 전류밀도-전압 특성을 나타내는 것으로, (1)영역은 전기화학 촉매에 의해 성능의 우열이 나타나는 영역이고, (2)영역은 고전류 밀도 영역이다. 발명예 3의 전기화학 촉매와 비교예 2의 전기화학 촉매의 구성이 같기 때문에, 도 11에 나타낸 바와 같이 (1)영역에서는 발명예 3의 막과 비교예 2의 막이 비슷한 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 그런데, 발명예 3의 전자 전도층을 가지는 막이 전기화학 반응층으로의 전자전도성이 우수하기 때문에, 비교예 2의 막에 비해 고밀도 전류 영역인 (2)영역에서 저전압 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.11 shows the current density-voltage characteristics of the MEA for Inventive Example 3 and Comparative Example 2. The region (1) is a region where the superiority of performance is exhibited by the electrochemical catalyst, and the region (2) is a high current density region . Since the electrochemical catalyst of Inventive Example 3 is the same as the electrochemical catalyst of Comparative Example 2, as shown in Fig. 11, it can be seen that the membrane of Inventive Example 3 and the membrane of Comparative Example 2 have similar performance in the region (1) have. However, since the film having the electron conduction layer of Inventive Example 3 is excellent in electron conductivity to the electrochemical reaction layer, it can be seen that the film exhibits the low voltage characteristic in the region (2) which is the high density current region as compared with the film of Comparative Example 2.
[발명예 4][Description 4]
1. MEA 제조1. MEA Manufacturing
발명예 3과 동일한 방법 및 조건으로 MEA를 제조하였다.MEA was prepared by the same method and conditions as in Example 3.
2. 전기화학용 스택 및 평가 시스템2. Electrochemical stack and evaluation system
발명예 3의 MEA를 도 7에 도시된 전기화학용 스택으로 제작하여 평가하였다. 이때, 전기화학 촉매층의 면적은 314㎠로 하였으며, 전기화학용 스택의 규모는 단위 전기화학 셀이 10개 적층되었다. 운전 조건은 발명예 3과 동일한 온도 및 압력에서 진행하였다.The MEA of Inventive Example 3 was fabricated as an electrochemical stack shown in FIG. 7 and evaluated. At this time, the area of the electrochemical catalyst layer was 314
3. 측정 결과3. Measurement results
도 12에 나타낸 바와 같이 발명예 4에 의해 제작된 MEA는 전류밀도가 증가하더라도 전력소비량의 변화가 작은 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 12, it can be seen that the change in the power consumption is small even when the current density is increased in the MEA fabricated by the fourth embodiment.
[비교예 3][Comparative Example 3]
1. MEA 제조1. MEA Manufacturing
비교예 2와 동일한 방법 및 조건으로 MEA를 제조하였다.MEA was prepared by the same method and under the same conditions as in Comparative Example 2.
2. 전기화학용 스택2. Electrochemical stack
비교예 2의 MEA를 도 3에 도시된 전기화학용 스택으로 제작하여 평가하였다. 발명예 4와 같이 전기화학 촉매층의 면적은 314㎠로 하였고, 전기화학용 스택의 규모는 단위 전기화학 셀이 10개 적층되었다. 운전 조건은 발명예 3과 동일한 온도 및 압력에서 진행하였다.The MEA of Comparative Example 2 was fabricated and evaluated by the electrochemical stack shown in Fig. As in Example 4, the area of the electrochemical catalyst layer was 314
다. 측정 결과All. Measurement result
도 12에 나타낸 바와 같이 전류밀도가 증가할수록 전력소비량이 상당히 증가하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 12, it can be seen that the power consumption increases significantly as the current density increases.
[발명예 4와 비교예 3의 평가][Evaluation of Inventive Example 4 and Comparative Example 3]
도 12는 발명예 4와 비교예 3에 대한 전기화학용 스택의 전류밀도-전력소비량 특성을 나타낸 것으로서, (1)영역은 전기화학 촉매에 의해 성능의 우열이 나타나는 영역이고, (2)영역은 전기화학 촉매 외 나머지 구성요소에 의해 성능의 우열이 나타내는 영역이다. 도 12에 나타낸 바와 같이 (1)영역에서는 발명예 4와 비교예 3의 전기화학 촉매의 구성이 같기 때문에 전기화학용 스택이 비슷한 성능을 보이는 것을 알 수 있다. 그런데, 발명예 4의 전자 전도층을 가지는 전기화학용 스택의 구조는 전자전도성이 우수하기 때문에 수소 제조시 (2)영역에서 비교예 3의 전기화학용 스택에 비해 저에너지를 소모하는 것을 알 수 있다.12 shows the current density-power consumption characteristics of the electrochemical stack for Inventive Example 4 and Comparative Example 3, where (1) region is a region in which the performance of the electrochemical catalyst is exhibited, and (2) It is the region where the superiority of performance is shown by the other components other than the electrochemical catalyst. As shown in FIG. 12, in the region (1), since the electrochemical catalysts of Inventive Example 4 and Comparative Example 3 are the same, the electrochemical stack shows similar performance. However, since the structure of the electrochemical stack having the electron conduction layer of Inventive Example 4 is excellent in electron conductivity, it can be seen that it consumes a lower energy in the region (2) of hydrogen production than the electrochemical stack of Comparative Example 3 .
이와 같이 이 발명은 종래의 전기화학 셀보다 우수한 즉, 짧은 전자 이동 경로를 갖기 때문에 전기화학 셀의 전류밀도-전압특성이 우수해 전기분해시 에너지 소모량을 저감할 수 있다. 다시 말해, 종래에는 양극 촉매→양극실 확산층→양극실 전류공급판→외부회로→압력패드→음극실 전류공급판→음극실 확산층→음극 촉매 순으로 전자이동 경로가 형성되었으나, 이 발명은 양극 촉매→막 위의 전자 전도층→외부회로→막 위의 전자 전도층→음극 촉매 순으로 전자이동 경로가 형성된다. 따라서, 이 발명은 종래의 전기화학 셀보다 짧은 전자이동 경로를 갖게 되며, 이렇게 짧은 전자이동 경로로 인해 전기화학 셀의 전류밀도-전압특성이 우수해지므로 전기분해시 에너지 소모량을 저감할 수 있다.As described above, the present invention is superior to the conventional electrochemical cell, that is, has a short electron transfer path, so that the current density-voltage characteristic of the electrochemical cell is excellent, and the energy consumption during electrolysis can be reduced. In other words, conventionally, although an electron transfer path is formed in the order of a cathode catalyst → an anode chamber diffusion layer → an anode chamber current supply plate → an external circuit → a pressure pad → a cathode chamber current supply plate → a cathode chamber diffusion layer → a cathode catalyst, An electron conduction layer on the membrane, an electron conduction layer on the membrane, an external circuit, an electron conduction layer on the membrane, and a cathode catalyst in this order. Therefore, the present invention has a shorter electron movement path than the conventional electrochemical cell, and the current density-voltage characteristic of the electrochemical cell is excellent due to the short electron transfer path, so that the energy consumption during the electrolysis can be reduced.
또한, 이 발명은 전기화학 반응실에 MEA의 전기화학 반응층을 2개씩 각각 수용하기 때문에 장치가 매우 콤팩트(compact)해지고, 전기화학용 스택을 구성할 때 종래의 전기화학 셀보다 부품수를 대폭 저감할 수 있어 전기화학 셀의 제작비용을 대폭 저감할 수 있다. 다시 말해, n개의 전기화학 셀을 구성할 때 이 발명의 전기화학용 스택은 전기화학 반응실에 MEA의 전기화학 반응층을 2개씩 각각 수용하기 때문에 표 3과 같은 부품수를 갖는 데 반해, 종래의 전기화학용 스택은 이 발명의 전기화학용 스택보다 훨씬 많은 부품수를 갖도록 형성된다.Further, since the present invention accommodates two electrochemical reaction layers of the MEA in the electrochemical reaction chamber, the device becomes very compact, and when the electrochemical stack is constituted, the number of components is wider The manufacturing cost of the electrochemical cell can be greatly reduced. In other words, when constructing n electrochemical cells, the electrochemical stack of the present invention accommodates two electrochemical reaction layers of the MEA in the electrochemical reaction chamber, The electrochemical stack of the present invention is formed to have a much larger number of parts than the electrochemical stack of the present invention.
프레임Electrochemical reaction chamber
그리고, 이 발명은 상술한 바와 같이 전기화학용 스택 구성시 종래의 전기화학 셀보다 구성 부품수가 대폭 저감되기 때문에, 표 4와 같이 전기저항의 상승 원인이 되는 접촉점도 종래의 전기화학 셀보다 대폭 줄일 수 있어 전기분해시 전기소모량을 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라 운전비용을 저감할 수 있다.As described above, the present invention greatly reduces the number of constituent parts compared to the conventional electrochemical cell in the stack structure for electrochemical as described above. Therefore, the contact point which causes the increase of the electrical resistance as shown in Table 4 is also significantly reduced The amount of electricity consumed during the electrolysis can be greatly reduced and the operation cost can be reduced.
이상에서 설명한 바와 같이, 이 발명의 상세한 설명에서는 이 발명의 바람직한 실시예에 관해서 설명하였으나, 이는 이 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 이 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 이 발명의 기술사상의 범주를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 물론이다. 따라서, 이 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위 뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the following claims as well as equivalents thereof.
500 : 막전극접합체 504, 508 : 전기화학 반응층
502 : 막 510, 516 : 전기화학 촉매
512, 514 : 담체 600 : 전기화학 셀
602, 616 : 엔드플레이트 604, 614 : 절연판
606, 612 : 전기화학 반응실 프레임
608, 610 : 전기화학 반응실 700 : 전기화학용 스택500:
502:
512, 514: carrier 600: electrochemical cell
602, 616:
606, 612: electrochemical reaction chamber frame
608, 610: electrochemical reaction chamber 700: electrochemical stack
Claims (8)
산화반응 또는 환원반응이 발생하고 그에 따른 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 상기 막전극접합체를 기준으로 양측에 순차적으로 배열되는 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임, 제1, 제2 절연판 및 제1, 제2 엔드플레이트와,
상기 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임에 각각 접속되어 전류를 공급하는 전력변환장치를 포함하는 전기화학 셀에 있어서,
상기 막전극접합체는, 고분자 전해질 막과, 상기 고분자 전해질 막의 일측에 형성되어 산화반응이 일어나는 제1 전기화학 반응층과, 상기 고분자 전해질 막과 제1 전기화학 반응층의 사이에 형성되는 제1 전자 전도층과, 상기 고분자 전해질 막의 타측에 형성되어 환원반응이 일어나는 제2 전기화학 반응층, 및 상기 고분자 전해질 막과 제2 전기화학 반응층의 사이에 형성되는 제2 전자 전도층을 포함하고,
상기 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임은 표면이 Au 또는 TiN으로 박막 코팅된 부식방지층과, 상기 막전극접합체의 제1, 제2 전기화학 반응층을 각각 수용하는 전기화학 반응실을 각각 구비하며,
상기 막전극접합체의 제1, 제2 전자 전도층은 상기 전기화학 반응실에 각각 수용되는 상기 제1, 제2 전기화학 반응층 보다 크게 형성되어 상기 제1, 제2 전기화학 반응실 프레임의 측면에 각각 밀착되어 접속되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.Membrane Electrode Assembly,
A first and a second electrochemical reaction chamber frame sequentially arranged on both sides with respect to the membrane electrode assembly in such a manner that an oxidation reaction or a reduction reaction occurs and a reactant and a product can be supplied and discharged therefrom, An insulating plate, first and second end plates,
And an electric power conversion device connected to each of the first and second electrochemical reaction chamber frames to supply electric current, the electrochemical cell comprising:
Wherein the membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane, a first electrochemical reaction layer formed on one side of the polymer electrolyte membrane and undergoing an oxidation reaction, and a second electrochemical reaction layer formed between the polymer electrolyte membrane and the first electrochemical reaction layer, And a second electroconductive layer formed between the polymer electrolyte membrane and the second electrochemical reaction layer, wherein the second electroconductive layer is formed on the other side of the polymer electrolyte membrane and undergoes a reduction reaction,
The first and second electrochemical reaction chamber frames each include an anticorrosion layer having a surface coated with Au or TiN and an electrochemical reaction chamber accommodating the first and second electrochemical reaction layers of the membrane electrode assembly, In addition,
Wherein the first and second electroconductive layers of the membrane electrode assembly are formed larger than the first and second electrochemical reaction layers respectively accommodated in the electrochemical reaction chamber, Respectively, of the electrochemical cell.
상기 부식방지층은 플라즈마 코팅(plasma coating), 물리적 기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition), 화학적 기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 또는 클래딩(Cladding)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀.The method according to claim 1,
Wherein the corrosion inhibiting layer is formed by plasma coating, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), or cladding.
상기 전기화학 셀의 내부에 다수개의 막전극접합체를 수용하기 위해 상기 다수개의 막전극접합체의 사이에 배치되어 동일 산화반응 또는 환원반응 성질을 가지는 상기 막전극접합체의 제1 전기화학 반응층 또는 제2 전기화학 반응층을 2개씩 수용하는 전기화학 반응실을 각각 갖는 다수개의 제3 전기화학 반응실 프레임을 포함하며,
상기 전력변환장치는 상기 제3 전기화학 반응실 프레임에 접속되어 전류를 공급하고,
상기 막전극접합체의 제1, 제2 전자 전도층은 상기 제3 전기화학 반응실 프레임의 전기화학 반응실에 수용되는 상기 제1, 제2 전기화학 반응층 보다 크게 형성되어 상기 제3 전기화학 반응실 프레임의 측면에 각각 밀착되어 접속되는 것을 특징으로 하는 전기화학용 스택. An electrochemical cell comprising: an electrochemical cell according to claim 1 or 2;
A plurality of membrane electrode assemblies disposed between the plurality of membrane electrode assemblies to accommodate a plurality of membrane electrode assemblies in the electrochemical cell, the first electrochemical reaction layer or the second membrane electrode assembly having the same oxidation reaction or reduction reaction property, And a plurality of third electrochemical reaction chamber frames each having an electrochemical reaction chamber accommodating two electrochemical reaction layers,
Wherein the power conversion device is connected to the third electrochemical reaction chamber frame to supply current,
Wherein the first and second electroconductive layers of the membrane electrode assembly are formed larger than the first and second electrochemical reaction layers accommodated in the electrochemical reaction chamber of the third electrochemical reaction chamber frame, And are connected to the side faces of the seal frame in close contact with each other.
상기 제3 전기화학 반응실 프레임은 표면이 Au 또는 TiN으로 박막 코팅된 부식방지층을 더 갖는 것을 특징으로 하는 전기화학용 스택. The method of claim 3,
Wherein the third electrochemical reaction chamber frame further comprises a corrosion inhibiting layer whose surface is thinly coated with Au or TiN.
상기 제3 전기화학 반응실 프레임의 부식방지층은 플라즈마 코팅(plasma coating), 물리적 기상증착(PVD, Physical Vapor Deposition), 화학적 기상증착(CVD, Chemical Vapor Deposition) 또는 클래딩(Cladding)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 전기화학용 스택.The method of claim 4,
The corrosion preventing layer of the third electrochemical reaction chamber frame may be formed by plasma coating, physical vapor deposition (PVD), chemical vapor deposition (CVD), or cladding Characterized in that the electrochemical stack.
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Cited By (5)
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KR20210085486A (en) * | 2019-12-30 | 2021-07-08 | 한국과학기술원 | Current collector for reduction apparatus of carbon dioxide, reduction apparatus of carbon dioxide comprising the same, and reducing method of carbon dioxide using the same |
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