KR102662699B1 - Water Electrolysis Stack - Google Patents

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Abstract

본 발명의 다양한 실시예에 따른 수전해 스택은 수소극, 전해질 및 산소극을 포함하는 셀; 상기 수소극과 접하여 배치되는 수소극 집전체; 상기 산소극과 접하여 배치되고, 메쉬(mesh) 형상을 갖는 산소극 집전체; 및 상기 산소극 집전체와 접하여 배치되는 분리판을 포함할 수 있다.A water electrolysis stack according to various embodiments of the present invention includes a cell including a hydrogen electrode, an electrolyte, and an oxygen electrode; a hydrogen electrode current collector disposed in contact with the hydrogen electrode; an oxygen electrode current collector disposed in contact with the oxygen electrode and having a mesh shape; And it may include a separator plate disposed in contact with the oxygen electrode current collector.

Description

수전해 스택{Water Electrolysis Stack}Water Electrolysis Stack

본 발명의 다양한 실시예는 수전해 스택에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 다양한 실시예는 메쉬(mesh) 형상의 집전체를 포함하는 수전해 스택에 관한 것이다.Various embodiments of the present invention relate to water electrolysis stacks. Specifically, various embodiments of the present invention relate to a water electrolysis stack including a mesh-shaped current collector.

최근 세계 선진국들의 풍력, 태양광과 같은 재생에너지의 개발 규모는 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 발생하는 예측 불가능성과 변동성으로 인해 재생전력 이용률 감소와 같은 문제점을 해결하기 위한 대안으로 대용량 에너지 저장에 대한 필요성이 증가하고 있다. 세계적인 환경 보호 정책으로 인해 디젤, 가솔린에 대한 황 허용치가 낮아짐에 따라 수소의 시장 규모는 매년 지속적으로 성장하고 있으며, 금속 또는 반도체 생산, 암모니아 등의 화합물 합성 등 여러 산업 분야에서 사용되고 있다. 수소는 탄화수소나 물로부터 수증기 개질, 자연 개질, 부분산화, 열화학분해, 직접분해, 생물학적 분해, 전기분해 등의 방법을 통해 수소를 추출하여 제조할 수 있다.Recently, the scale of development of renewable energy such as wind and solar power in developed countries around the world is continuously increasing, and large-capacity energy storage is being developed as an alternative to solve problems such as reduced renewable power utilization due to the unpredictability and volatility that arises from this. The need is increasing. As the sulfur limit for diesel and gasoline is lowered due to global environmental protection policies, the market size of hydrogen continues to grow every year, and it is used in various industrial fields such as metal or semiconductor production and synthesis of compounds such as ammonia. Hydrogen can be produced by extracting hydrogen from hydrocarbons or water through methods such as steam reforming, natural reforming, partial oxidation, thermochemical decomposition, direct decomposition, biological decomposition, and electrolysis.

수전해란 순수한 물을 전기 분해하여 수소를 제조하는 방식으로써 현재 증가하는 수소 수요에 대응이 가능할 뿐 아니라 풍력, 태양광과 같은 재생에너지를 저장하는 대용량 전력저장을 목적으로 하는 기술이다. 수소는 에너지 밀도가 높고 안정적으로 오랜 기간 저장할 수 있으며 기체, 액체와 같이 다양한 형태로 저장이 가능한 이점이 있다. 이러한 수전해 기술은 고온 수전해, 알칼리형, 고분자 전해질막형 기술로 분류된다. Water electrolysis is a method of producing hydrogen by electrolyzing pure water. It is a technology that not only responds to the currently increasing demand for hydrogen, but also aims to store large-capacity power by storing renewable energy such as wind and solar energy. Hydrogen has the advantage of having high energy density, being able to be stored stably for a long period of time, and being able to be stored in various forms such as gas and liquid. These water electrolysis technologies are classified into high-temperature water electrolysis, alkaline-type, and polymer electrolyte membrane-type technologies.

고온 수전해는 700 내지 850℃ 정도의 과열 증기를 전기분해하여 기존 60 내지 85℃에서 작동하는 저온수전해 공정에 비하여 20 내지 30% 정도의 전기에너지 절감할 수 있다는 장점이 있다.High-temperature water electrolysis has the advantage of electrolyzing superheated steam at about 700 to 850°C, saving about 20 to 30% of electrical energy compared to the existing low-temperature water electrolysis process that operates at 60 to 85°C.

고온 수전해를 위한 스택 구성으로 집전체는 Ni, Ni 합금(Ni-Co), Cu 합금(Cu-Mn), Crofer, Ag 와 같은 다양한 금속 폼(Foam)을 이용하는 것이 일반적이다. 이러한 폼(Foam)은 3차원(3D) 구조로 특히 산소극에 사용하기 위하여 Ni-Co 또는 Cu-Mn 과 같은 합금 금속을 적용하여 구동 중 스피넬(Spinel) 구조로 변화하는 특성을 이용하였다. 합금 금속으로부터 산화된 스피넬은 취성이 커서 기계적 특성이 매우 약하다는 단점이 있다. 또한 고가이며 특정 제조사에서 독과점 형태로 공급하고 있다는 문제가 있다. In a stack configuration for high-temperature water electrolysis, the current collector generally uses various metal foams such as Ni, Ni alloy (Ni-Co), Cu alloy (Cu-Mn), Crofer, and Ag. This foam has a three-dimensional (3D) structure, and in particular, for use in oxygen electrodes, alloy metals such as Ni-Co or Cu-Mn are applied to take advantage of the property of changing into a spinel structure during operation. Spinel oxidized from an alloy metal has the disadvantage of being highly brittle and having very weak mechanical properties. Additionally, there is a problem that it is expensive and is supplied in a monopoly form by certain manufacturers.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 메쉬(mesh) 형상의 집전체를 포함하는 수전해 스택을 제공하고자 한다.The present invention is intended to solve the above-mentioned problems and provides a water electrolysis stack including a mesh-shaped current collector.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, The present invention is intended to solve the above-mentioned problems,

본 발명의 다양한 실시예에 따른 수전해 스택은 수소극, 전해질 및 산소극을 포함하는 셀; 상기 수소극과 접하여 배치되는 수소극 집전체; 상기 산소극과 접하여 배치되고, 메쉬(mesh) 형상을 갖는 산소극 집전체; 및 상기 산소극 집전체와 접하여 배치되는 분리판을 포함할 수 있다.A water electrolysis stack according to various embodiments of the present invention includes a cell including a hydrogen electrode, an electrolyte, and an oxygen electrode; a hydrogen electrode current collector disposed in contact with the hydrogen electrode; an oxygen electrode current collector disposed in contact with the oxygen electrode and having a mesh shape; And it may include a separator plate disposed in contact with the oxygen electrode current collector.

본 발명의 메쉬형 집전체는 다양한 범용 금속을 이용하여 저가의 에칭 공정으로 제조할 수 있다. 따라서, 공정 비용을 절감할 수 있다. 본 발명은 집전체에 포함되는 메쉬의 형상 및 분포를 다양하게 하여 이에 따른 가스채널을 확보할 수 있다. 또한, 가스 확산 특성을 임의로 제어할 수 있다.The mesh-type current collector of the present invention can be manufactured through a low-cost etching process using various general-purpose metals. Therefore, process costs can be reduced. The present invention can secure a gas channel accordingly by varying the shape and distribution of the mesh included in the current collector. Additionally, gas diffusion characteristics can be arbitrarily controlled.

구체적으로, 본 발명은 분리판에서의 가스의 유량에 따라 산소극 집전체의 메쉬 개구부 및 비개구부의 분포를 달리함으로써 셀로 도달하는 가스 유량 불균일을 해소할 수 있다. 예를 들면 분리판에서의 가스의 유량을 고려하여 산소극 집전체의 위치에 따라 메쉬 개구부의 크기, 메쉬 개구부의 형상, 및 개구부 및 비개구부의 분포 등을 달리함으로써 셀로 도달하는 유량을 조절할 수 있고 수전해 스택의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다. Specifically, the present invention can solve the unevenness of the gas flow rate reaching the cell by varying the distribution of the mesh openings and non-opening portions of the oxygen electrode current collector according to the gas flow rate in the separator plate. For example, considering the flow rate of gas in the separator plate, the flow rate reaching the cell can be adjusted by varying the size of the mesh opening, the shape of the mesh opening, and the distribution of open and non-opening parts depending on the position of the oxygen electrode current collector. The performance and efficiency of the water electrolysis stack can be improved.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수전해 스택의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수전해 스택의 분해 사시도이다.
도 3은 도 3은 실시예에 따라 제조된 메쉬 형상의 집전체 사진이다.Figure 1 is an exploded perspective view of a water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is an exploded perspective view of a water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a photograph of a mesh-shaped current collector manufactured according to an example.

이하, 본 문서의 다양한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 기재된다. 실시예 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, various embodiments of this document are described with reference to the attached drawings. The examples and terms used herein are not intended to limit the technology described in this document to specific embodiments, and should be understood to include various modifications, equivalents, and/or substitutes for the examples.

수전해 스택은 공급된 물이 분해되어 실제로 수소가 생산되는 장치로, 특히 본 발명의 고온 수전해는 500 내지 900℃ 정도의 과열 증기를 전기분해하여 기존 60 내지 85℃에서 작동하는 저온수전해 공정에 비하여 20 내지 30% 정도의 전기에너지 절감할 수 있다는 장점이 있다.The water electrolysis stack is a device that actually produces hydrogen by decomposing supplied water. In particular, the high-temperature water electrolysis of the present invention is a low-temperature water electrolysis process that electrolyzes superheated steam at about 500 to 900 ℃ and operates at 60 to 85 ℃. It has the advantage of being able to save about 20 to 30% of electrical energy compared to .

도 1을 참고하면, 본 발명의 수전해 스택(10)은 수소극 집전체(100), 셀(200), 산소극 집전체(300) 및 분리판(400)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the water electrolysis stack 10 of the present invention may include a hydrogen electrode current collector 100, a cell 200, an oxygen electrode current collector 300, and a separator plate 400.

셀(200)은 수소극 및 산소극을 포함하고, 전해질이 수소극 및 산소극 사이에 배치된다. The cell 200 includes a hydrogen electrode and an oxygen electrode, and an electrolyte is disposed between the hydrogen electrode and the oxygen electrode.

수소극(cathode)에서는 고온에서 수증기가 하기 반응에 의해 전기화학적 분해되어 수소가 발생하는 반응이 일어난다. At the hydrogen electrode (cathode), water vapor is electrochemically decomposed at high temperature by the following reaction to generate hydrogen.

2H2O + 4e- → 2H2 + 2O2 - 2H 2 O + 4e - → 2H 2 + 2O 2 -

상기 반응에서 발생한 2O2 -이온은 전해질을 통과하여 산소극(anode)으로 이동하게 되고 하기 반응에 의해 산소기체로 바뀐다.The 2O 2 - ions generated in the above reaction pass through the electrolyte and move to the oxygen electrode (anode), where they are converted into oxygen gas by the following reaction.

2O2 -→2O2+4e- 2O 2 - →2O 2 +4e -

전해질은 높은 이온(O2-) 전도도를 가진 물질로 구성될 수 있다. 예를 들면, 전해질은 지르코니아계, 세리아계 및 란타늄 갈레이트계 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 구체적으로, 전해질은 이트리아 안정화　지르코니아(YSZ), 스칸디아 안정화　지르코니아(ScSZ) 등의 안정화　지르코니아계; 사마리아 도핑된 세리아(SDC), 가돌리니아 도핑된 세리아(GDC) 등과 같은 희토류 원소가 첨가된 세리아계; 기타 LSGM ((La, Sr)(Ga, Mg)O3)계; 등을 포함할 수 있다. 또한,　전해질은, 스트론튬 또는 마그네슘이 도핑된 란타늄 갈레이트(lanthanum gallate) 등을 포함할 수 있다.Electrolytes can be composed of materials with high ionic (O 2- ) conductivity. For example, the electrolyte may include at least one of zirconia-based, ceria-based, and lanthanum gallate-based. Specifically, the electrolyte may include stabilized zirconia-based such as yttria-stabilized zirconia (YSZ) and scandia-stabilized zirconia (ScSZ); Ceria-based with rare earth elements added, such as Samaria-doped ceria (SDC), Gadolinia-doped ceria (GDC), etc.; Other LSGM ((La, Sr)(Ga, Mg)O 3 ) series; It may include etc. Additionally, the electrolyte may include lanthanum gallate doped with strontium or magnesium.

한편, 수소극은 니켈, 니켈 합금, 구리, 구리합금 및 철계 합금 중에서 선택된 하나와 이온전도성 전해질 재료의 복합체일 수 있다. 이때, 이온전도성 전해질 재료는 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 스칸디아 안정화 지르코니아(scandia-stabilized zirconia, ScSZ), 가돌리늄 주입 세리아(Gd doped-ceria, GDC), 사마리움 주입 세리아(Sm doped-Ceria) 및 란타늄 갈레이트(Lanthanum gallates)중에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 또는 이온전도성 전해질의 재료는 Y2O3-doped Zirconia 또는 Y, Sc 또는 Yb가 첨가된 zirconia, Y, Gd 또는 Sm이 첨가된 ceria 및 Sr과 Mg이 동시에 첨가된 LaGaO3 중에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. Meanwhile, the hydrogen electrode may be a composite of one selected from nickel, nickel alloy, copper, copper alloy, and iron-based alloy and an ion conductive electrolyte material. At this time, the ion conductive electrolyte material is yttria-stabilized zirconia (YSZ), scandia-stabilized zirconia (ScSZ), gadolinium-doped ceria (Gd doped-ceria (GDC)), and samarium-doped ceria (Sm). It may contain one or more materials selected from doped-Ceria) and lanthanum gallates. Alternatively, the material of the ion conductive electrolyte may include one or more selected from Y2O3-doped zirconia or zirconia to which Y, Sc or Yb is added, ceria to which Y, Gd or Sm is added, and LaGaO3 to which Sr and Mg are added simultaneously. .

산소극은 백금과 같은 귀금속(noble metal)이거나 고온에서도 안정성을 갖는 페브로스카이트형(perovskite type)의 란탄늄 스트로튬 망간나이트(LaSrMnO3, LSM)나 란탄늄 칼슘 망간나이트(LaCaMnO3, LCM)일 수 있다. The oxygen electrode is a noble metal such as platinum, or perovskite type lanthanum strotium manganite (LaSrMnO 3 , LSM) or lanthanum calcium manganite (LaCaMnO 3 , LCM), which are stable even at high temperatures. It can be.

수소극 집전체(100)는 셀(200)의 수소극과 접하여 배치될 수 있다.The hydrogen electrode current collector 100 may be disposed in contact with the hydrogen electrode of the cell 200.

수소극 집전체(100)는 Ni, Ni 합금, Cu 합금, Crofer 및 Ag로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다. The hydrogen electrode current collector 100 may include any one selected from the group consisting of Ni, Ni alloy, Cu alloy, Crofer, and Ag.

산소극 집전체(300)는 셀(200)의 산소극과 접하여 배치될 수 있다. 본 발명의 산소극 집전체(300)는 메쉬(mesh) 형상일 수 있다. 산소극 집전체(300)는 스테인레스 및 금속으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 예를 들면, 산소극 집전체(300)는 Pt, Ni 합금, Co, Cu, Cu 합금, Ag 및 Li 등 다양한 범용 금속일 수 있다. 또는 Crofer와 같은 스테인레스일 수 있다. 이때, 내산화 코팅 등 금속 표면처리를 추가로 진행할 수 있다. The oxygen electrode current collector 300 may be disposed in contact with the oxygen electrode of the cell 200. The oxygen electrode current collector 300 of the present invention may have a mesh shape. The oxygen electrode current collector 300 may be any one selected from the group consisting of stainless steel and metal. For example, the oxygen electrode current collector 300 may be made of various general-purpose metals such as Pt, Ni alloy, Co, Cu, Cu alloy, Ag, and Li. Or it can be stainless steel like Crofer. At this time, additional metal surface treatment such as oxidation-resistant coating may be performed.

분리판(bipolar plate)(400)은 단위 셀(200) 사이에 배치된다. 분리판(400)은 수전해에서 물과 전류를 셀(200)에 공급해 주는 역할과 산소와 수소를 수집하여 외부로 배출하는 역할, 수소와 산소의 직접 접촉으로 인한 폭발, 연소 등의 위험성을 방지하는 역할을 수행한다. A bipolar plate 400 is disposed between the unit cells 200. The separator plate 400 serves the role of supplying water and current to the cell 200 in water electrolysis, collecting oxygen and hydrogen and discharging them to the outside, and preventing risks such as explosion and combustion due to direct contact between hydrogen and oxygen. performs its role.

분리판(400)은 전술한 바와 같이, 셀(200)의 애노드와 캐소드를 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가지며, 또한 막-전극 접합체의 산화/환원 반응에 필요한 물을 애노드와 캐소드에 공급하는 통로의 기능을 한다. 이를 위해,　분리판(400)의 표면에는 셀(200)의 산화/환원 반응에 필요한 가스를 공급하는 유로가 형성되어 있다. As described above, the separator plate 400 has the function of a conductor that connects the anode and cathode of the cell 200 in series, and also supplies water necessary for the oxidation/reduction reaction of the membrane-electrode assembly to the anode and cathode. It functions as a passageway. For this purpose, a flow path is formed on the surface of the separator 400 to supply gas necessary for the oxidation/reduction reaction of the cell 200.

한편, 수전해 효율을 높이기 위해서는 분리판(400)을 통과하는 가스 유량을 균일하게 하는 것이 중요하다. Meanwhile, in order to increase water electrolysis efficiency, it is important to make the gas flow rate passing through the separator 400 uniform.

본 발명은 분리판(400)에서의 가스의 유량에 따라 산소극 집전체(300)의 메쉬 개구부(OA) 및 비개구부(NOA)의 분포를 달리함으로써 셀로 도달하는 가스 유량 불균일을 해소할 수 있다. 예를 들면 분리판(400)에서의 가스의 유량을 고려하여 산소극 집전체(300)의 위치에 따라 메쉬 개구부(OA)의 크기, 메쉬 개구부(OA)의 형상, 및 개구부(OA) 및 비개구부(NOA)의 분포 등을 달리함으로써 셀로 도달하는 유량을 제어할 수 있고 수전해 스택의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있다.The present invention can solve the unevenness of the gas flow rate reaching the cell by varying the distribution of the mesh opening (OA) and non-opening portion (NOA) of the oxygen electrode current collector 300 according to the gas flow rate in the separator plate 400. . For example, considering the flow rate of gas in the separator plate 400, the size of the mesh opening (OA), the shape of the mesh opening (OA), and the opening (OA) and ratio according to the position of the oxygen electrode current collector 300. By varying the distribution of openings (NOA), the flow rate reaching the cell can be controlled and the performance and efficiency of the water electrolysis stack can be improved.

특히, 본 발명의 비개구부(NOA)는 단차가 없는 무단차인 것을 특징으로 한다. 즉, 비개구부(NOA)는 평평한 면을 가질 수 있다. 만약 비개구부(NOA)가 꼬임형태 등 단차가 있는 형상일 경우 미세한 포인트 접촉이 발생할 수 있으나, 본 발명에서는 무단차 비개구부(NOA)를 통해 신뢰성을 향상할 수 있다. In particular, the non-opening portion (NOA) of the present invention is characterized as being stepless. That is, the non-opening area (NOA) may have a flat surface. If the non-opening portion (NOA) has a stepped shape such as a twisted shape, fine point contact may occur. However, in the present invention, reliability can be improved through the stepless non-opening portion (NOA).

본 발명의 일 실시예에 따르면, 분리판(400)은 가스 확산 유량의 크기가 서로 다른 영역을 포함할 수 있다. 예를 들면, 가스 유량의 크기가 작은 순서대로 제1 영역(1A), 제2 영역(2A) 및 제3 영역(3A)을 포함할 수 있다. 이러한 분리판(400)의 각 영역에 대응되는 산소극 집전체(300)는 제1' 영역(1A'), 제2' 영역(2A') 및 제3' 영역(3A')을 포함할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, the separator plate 400 may include regions where the size of the gas diffusion flow rate is different. For example, it may include a first area (1A), a second area (2A), and a third area (3A) in order of decreasing gas flow rate. The oxygen electrode current collector 300 corresponding to each region of the separator 400 may include a first' region (1A'), a second' region (2A'), and a third' region (3A'). there is.

산소극 집전체(300)의 제1' 영역(1A')은 분리판(400)에서 가스 유량의 크기가 가장 작은 제1 영역(1A)과 대응되는 영역이다. 제1' 영역(1A')은 가스확산을 원활하게 하기 위해 산소극 집전체(300)내에서 개구부가 가장 큰 폭을 갖는 제1 메쉬(300a) 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 메쉬 형상이 원형일 때, 제1 메쉬(300a)는 가장 큰 직경을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 메쉬 형상은 삼각형, 사각형, 오각형 등 다각형 형상일 수 있다. 이때, 개구부의 면적이 가장 크도록 설계될 수 있다. The first' area (1A') of the oxygen electrode current collector 300 corresponds to the first area (1A) in the separator plate 400 where the gas flow rate is the smallest. The first' area 1A' may have the shape of a first mesh 300a whose openings have the largest width within the oxygen electrode current collector 300 to facilitate gas diffusion. For example, when the mesh shape is circular, the first mesh 300a may include the largest diameter. However, the embodiment is not limited to this, and the mesh shape may be a polygonal shape such as a triangle, square, or pentagon. At this time, the opening may be designed to have the largest area.

산소극 집전체(300)의 제3' 영역(3A')은 분리판(400)에서 가스 유량의 크기가 가장 큰 제3 영역(3A)과 대응되는 영역이다. 제3' 영역(3A')은 가스확산을 균일하게 하기 위해 산소극 집전체(300)내에서 개구부가 가장 작은 폭을 갖는 제3 메쉬(300c) 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 메쉬 형상이 원형일 때, 제3 메쉬(300c)는 가장 작은 직경을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 메쉬 형상은 삼각형, 사각형, 오각형 등 다각형 형상일 수 있다. 이때, 개구부의 면적이 가장 작도록 설계될 수 있다. The third' area (3A') of the oxygen electrode current collector 300 corresponds to the third area (3A) in the separator plate 400 where the gas flow rate is the largest. The third' area 3A' may have the shape of a third mesh 300c whose openings have the smallest width within the oxygen electrode current collector 300 to ensure uniform gas diffusion. For example, when the mesh shape is circular, the third mesh 300c may include the smallest diameter. However, the embodiment is not limited to this, and the mesh shape may be a polygonal shape such as a triangle, square, or pentagon. At this time, the opening may be designed to have the smallest area.

산소극 집전체(300)의 제2' 영역(2A')은 분리판(400)에서 가스 유량의 크기가 중간인 제2 영역(2A)과 대응되는 영역이다. 제2' 영역(2A')은 가스확산을 균일하게 하기 위해 산소극 집전체(300)내에서 제2 메쉬(300b)는 제1 메쉬(300a) 및 제3 메쉬(300c) 사이의 개구부 폭을 가질 수 있다. 예를 들면, 메쉬 형상이 원형일 때, 제2 메쉬(300b)는 제1 메쉬(300a)의 직경보다는 작고 제3 메쉬(300c)의 직경보다는 큰 직경을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 메쉬 형상은 삼각형, 사각형, 오각형 등 다각형 형상일 수 있다. 이때, 개구부의 면적이 제1 메쉬(300a)보다는 작고 제3 메쉬(300c)보다는 크도록 설계될 수 있다.The second' region 2A' of the oxygen electrode current collector 300 corresponds to the second region 2A of the separator 400 where the gas flow rate is intermediate. In the second' area (2A'), the second mesh (300b) has an opening width between the first mesh (300a) and the third mesh (300c) within the oxygen electrode current collector 300 to ensure uniform gas diffusion. You can have it. For example, when the mesh shape is circular, the second mesh 300b may include a diameter smaller than the diameter of the first mesh 300a and larger than the diameter of the third mesh 300c. However, the embodiment is not limited to this, and the mesh shape may be a polygonal shape such as a triangle, square, or pentagon. At this time, the area of the opening may be designed to be smaller than the first mesh 300a and larger than the third mesh 300c.

이러한 산소극 집전체(300)는 다양한 범용 금속을 이용하여 저가의 에칭 공정으로 제조할 수 있다. 따라서, 공정 비용을 절감할 수 있다. 본 발명의 산소극 집전체(300)는 두께가 50 μm 내지 1 mm으로 매우 얇게 제어할 수 있다. 산소극 집전체(300)는 두께가 상기 범위를 가짐으로써, 스택의 경량화가 가능하고, 셀 스트레스 및 저항이 줄어들 수 있으며, 유연한 형상 변경을 통해 접촉 면적을 늘릴 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이 산소극 집전체(300)에 포함되는 메쉬의 형상 및 분포를 다양하게 하여 이에 따른 가스채널을 확보할 수 있다. 또한, 가스 확산 특성을 임의로 제어할 수 있다. This oxygen electrode current collector 300 can be manufactured through a low-cost etching process using various general-purpose metals. Therefore, process costs can be reduced. The thickness of the oxygen electrode current collector 300 of the present invention can be controlled to be very thin, ranging from 50 μm to 1 mm. By having the thickness of the oxygen electrode current collector 300 within the above range, the stack can be made lighter, cell stress and resistance can be reduced, and the contact area can be increased through flexible shape changes. As discussed above, the gas channel can be secured accordingly by varying the shape and distribution of the mesh included in the oxygen electrode current collector 300. Additionally, gas diffusion characteristics can be arbitrarily controlled.

한편, 산소극 집전체(300)의 표면은 도금 또는 딥코팅(dip-coating) 등 표면처리 기법을 통해 내산화막을 처리할 수도 있다. Meanwhile, the surface of the oxygen electrode current collector 300 may be treated with an oxide-resistant film through surface treatment techniques such as plating or dip-coating.

기존의 집전체는 Ni, Ni 합금(Ni-Co), Cu 합금(Cu-Mn), Crofer, Ag 와 같은 다양한 금속 폼(Foam)을 이용하는 것이 일반적이었다. 이러한 폼(Foam)은 3차원(3D) 구조로 특히 산소극에 사용하기 위하여 Ni-Co 또는 Cu-Mn 과 같은 합금 금속을 적용하여 구동 중 스피넬(Spinel) 구조로 변화하는 특성을 이용하였다. 합금 금속으로부터 산화된 스피넬은 취성이 커서 기계적 특성이 매우 약하다는 단점이 있다. 또한 고가이며 특정 제조사에서 독과점 형태로 공급하고 있다는 문제가 있다. 본 발명에서는 산소극 집전체(300)를 다양한 범용 금속을 이용하여 메쉬 형상으로 제조함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다.Existing current collectors generally used various metal foams such as Ni, Ni alloy (Ni-Co), Cu alloy (Cu-Mn), Crofer, and Ag. This foam has a three-dimensional (3D) structure, and in particular, for use in oxygen electrodes, alloy metals such as Ni-Co or Cu-Mn are applied to take advantage of the property of changing into a spinel structure during operation. Spinel oxidized from an alloy metal has the disadvantage of being highly brittle and having very weak mechanical properties. Additionally, there is a problem that it is expensive and is supplied in a monopoly form by certain manufacturers. In the present invention, this problem can be solved by manufacturing the oxygen electrode current collector 300 in a mesh shape using various general-purpose metals.

한편, 도 2를 참고하여, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 수전해 스택을 설명한다. Meanwhile, with reference to FIG. 2, a water electrolysis stack according to various embodiments of the present invention will be described.

도 2를 참고하면, 다양한 실시예에 따른 수전해 스택(12)은 수소극 집전체(110), 셀(210), 산소극 집전체(310) 및 분리판(410)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2 , the water electrolysis stack 12 according to various embodiments may include a hydrogen electrode current collector 110, a cell 210, an oxygen electrode current collector 310, and a separator plate 410.

이때, 분리판(410)은 가스 유량의 크기가 서로 다른 영역을 포함할 수 있다. 예를 들면, 분리판(410)은 제4 영역(1B), 제5 영역(2B) 및 제6 영역(3B)을 포함하고, 제5 영역(2B)에서의 가스 유량의 크기가 가장 크고, 제4 영역(1B) 및 제6 영역(3B)는 유사할 수 있다. 이러한 분리판(410)의 각 영역에 대응되는 산소극 집전체(310)는 제4' 영역(1B'), 제5' 영역(2B') 및 제6' 영역(3B')을 포함할 수 있다.At this time, the separation plate 410 may include areas where the size of the gas flow rate is different. For example, the separation plate 410 includes a fourth area (1B), a fifth area (2B), and a sixth area (3B), and the magnitude of the gas flow rate in the fifth area (2B) is the largest, The fourth area 1B and the sixth area 3B may be similar. The oxygen electrode current collector 310 corresponding to each region of the separator 410 may include a 4th' region (1B'), a 5' region (2B'), and a 6' region (3B'). there is.

산소극 집전체(310)의 제5' 영역(2B')은 분리판(410)에서 가스 유량의 크기가 가장 큰 제5 영역(2B)과 대응되는 영역이다. 제5' 영역(2B')은 가스확산을 균일하게 하기 위해 산소극 집전체(310)내에서 개구부가 가장 작은 폭을 갖는 제5 메쉬(310b) 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 메쉬 형상이 원형일 때, 제5 메쉬(310b)는 가장 작은 직경을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 메쉬 형상은 삼각형, 사각형, 오각형 등 다각형 형상일 수 있다. 이때, 개구부의 면적이 가장 작도록 설계될 수 있다.The fifth' region (2B') of the oxygen electrode current collector 310 corresponds to the fifth region (2B) in the separator plate 410 where the gas flow rate is the largest. The fifth' region 2B' may have the shape of a fifth mesh 310b whose openings have the smallest width within the oxygen electrode current collector 310 to ensure uniform gas diffusion. For example, when the mesh shape is circular, the fifth mesh 310b may include the smallest diameter. However, the embodiment is not limited to this, and the mesh shape may be a polygonal shape such as a triangle, square, or pentagon. At this time, the opening may be designed to have the smallest area.

산소극 집전체(310)의 제4' 영역(1B') 및 제6' 영역(3B')은 분리판(410)에서 가스 유량의 크기가 작은 제4 영역(1B) 및 제6 영역(3B)과 대응되는 영역이다. 제4' 영역(1B') 및 제6' 영역(3B')은 가스확산을 원활하게 하기 위해 산소극 집전체(310)내에서 개구부가 가장 큰 폭을 갖는 제4 메쉬(310a) 및 제6 메쉬(310c) 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 메쉬 형상이 원형일 때, 제4 메쉬(310a) 및 제6 메쉬(310c)는 가장 큰 직경을 포함할 수 있다. 그러나, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 메쉬 형상은 삼각형, 사각형, 오각형 등 다각형 형상일 수 있다. 이때, 개구부의 면적이 가장 크도록 설계될 수 있다.The fourth' region (1B') and the sixth' region (3B') of the oxygen electrode current collector 310 have a small gas flow rate in the separator plate 410. ) is the corresponding area. The 4th' region (1B') and the 6th' region (3B') are a fourth mesh (310a) and a sixth mesh (310a) whose openings have the largest width within the oxygen electrode current collector 310 to facilitate gas diffusion. It may have a mesh 310c shape. For example, when the mesh shape is circular, the fourth mesh 310a and the sixth mesh 310c may include the largest diameter. However, the embodiment is not limited to this, and the mesh shape may be a polygonal shape such as a triangle, square, or pentagon. At this time, the opening may be designed to have the largest area.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 통해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through specific examples.

단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예 에 의해서 한정되는 것은 아니다.However, the following examples are only for illustrating the present invention and the present invention is not limited by the following examples.

실시예Example : 수전해 스택용 : For water electrolysis stack 집전체whole house 제조 manufacturing

먼저, 금속 원판을 세척하여 전처리할 수 있다. 이때, 알칼리 성분의 세정액을 고압의 노즐을 이용해 원판 표면에 분사하여 원판의 표면 오일류 제거하였다. 또한, 원판 표면에 묻은 알칼리 성분액을 물로 제거하였다.First, the metal plate can be washed and pretreated. At this time, an alkaline cleaning solution was sprayed onto the surface of the original plate using a high-pressure nozzle to remove oil from the surface of the original plate. Additionally, the alkaline solution on the surface of the disk was removed with water.

다음으로, 금속 원판에 에칭 필름을 부착하고 라미네이팅된 원판에 빛을 조사하여 노광 공정으로 패턴을 형상하였다. 패턴이 형상된 부분을 약품 처리를 통해 에칭 필름을 제거하였다. 이때, 노광된 원판에 고압의 노즐을 이용하여 용액을 분사 후 패턴된 에칭 필름을 제거할 수 있다. Next, an etching film was attached to the metal plate and light was irradiated to the laminated plate to form a pattern through an exposure process. The etching film was removed from the patterned area through chemical treatment. At this time, the patterned etching film can be removed after spraying the solution onto the exposed original plate using a high-pressure nozzle.

다음으로, 원판에 남아있는 에칭 필름의 부착력을 향상시키기 위해 고온의 열을 가하였다. 이후 원판에 에칭 필름이 제거된 부분을 염화철(FeCl3)로 부식(에칭)시켰다. 에칭 후 원판 위의 에칭 필름을 박리용액(가성소다)로 제거함으로써 메쉬 형상의 집전체를 제조하였다. Next, high temperature heat was applied to improve the adhesion of the etching film remaining on the original plate. Afterwards, the portion of the original plate from which the etching film was removed was corroded (etched) with iron chloride (FeCl 3 ). After etching, a mesh-shaped current collector was manufactured by removing the etching film on the original plate with a stripping solution (caustic soda).

도 3은 실시예에 따라 제조된 메쉬 형상의 집전체 사진이다. 도 3을 참고하면, 비개구부가 무단차 형상으로 형성되었음을 확인할 수 있다.Figure 3 is a photograph of a mesh-shaped current collector manufactured according to an example. Referring to Figure 3, it can be seen that the non-opening portion is formed in a stepless shape.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. The features, structures, effects, etc. described in the above-described embodiments are included in at least one embodiment of the present invention and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, etc. illustrated in each embodiment can be combined or modified and implemented in other embodiments by a person with ordinary knowledge in the field to which the embodiments belong. Therefore, contents related to such combinations and modifications should be construed as being included in the scope of the present invention.

또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. In addition, although the description has been made focusing on the embodiments above, this is only an example and does not limit the present invention, and those skilled in the art will understand the above examples without departing from the essential characteristics of the present embodiments. You will be able to see that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiments can be modified and implemented. And these variations and differences in application should be construed as being included in the scope of the present invention as defined in the attached claims.

Claims (6)

수소극, 전해질 및 산소극을 포함하는 셀;
상기 수소극과 접하여 배치되는 수소극 집전체;
상기 산소극과 접하여 배치되고, 메쉬(mesh) 형상을 갖는 산소극 집전체; 및
상기 산소극 집전체와 접하여 배치되는 분리판을 포함하고,
상기 분리판은 제1 영역 및 상기 제1 영역의 가스 유량의 크기보다 큰 제2 영역을 포함하고,
상기 산소극 집전체는 상기 제1 영역에 대응되는 제1' 영역 및 상기 제2 영역에 대응되는 제2' 영역을 포함하고,
상기 제1' 영역에 배치되는 제1 메쉬 개구부 직경은 상기 제2' 영역에 배치되는 제2 메쉬의 개구부 직경보다 큰 것을 특징으로 하고,
상기 셀로 도달하는 가스 유량을 제어하는 수전해 스택.A cell containing a hydrogen electrode, an electrolyte, and an oxygen electrode;
a hydrogen electrode current collector disposed in contact with the hydrogen electrode;
an oxygen electrode current collector disposed in contact with the oxygen electrode and having a mesh shape; and
It includes a separator plate disposed in contact with the oxygen electrode current collector,
The separation plate includes a first region and a second region that is larger than the gas flow rate of the first region,
The oxygen electrode current collector includes a first' region corresponding to the first region and a second' region corresponding to the second region,
Characterized in that the opening diameter of the first mesh disposed in the first' area is larger than the opening diameter of the second mesh disposed in the second' area,
A water electrolysis stack that controls the gas flow rate reaching the cell. 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 산소극 집전체의 두께는 50 μm 내지 1 mm 인 것을 특징으로 하는 수전해 스택.According to paragraph 1,
A water electrolysis stack, characterized in that the thickness of the oxygen electrode current collector is 50 μm to 1 mm. 제1항에 있어서,
상기 산소극 집전체는 스테인레스 및 금속으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 수전해 스택.According to paragraph 1,
The water electrolysis stack, wherein the oxygen electrode current collector is at least one selected from the group consisting of stainless steel and metal. 제1항에 있어서,
상기 메쉬는 개구부 및 비개구부를 포함하고,
상기 비개구부는 무단차 형상인 것을 특징으로 하는 수전해 스택.According to paragraph 1,
The mesh includes open portions and non-open portions,
A water electrolysis stack, wherein the non-opening portion has a stepless shape.
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