KR102662952B1 - 알칼라인 수전해 스택 조립체 - Google Patents

알칼라인 수전해 스택 조립체 Download PDF

Info

Publication number
KR102662952B1
KR102662952B1 KR1020220044999A KR20220044999A KR102662952B1 KR 102662952 B1 KR102662952 B1 KR 102662952B1 KR 1020220044999 A KR1020220044999 A KR 1020220044999A KR 20220044999 A KR20220044999 A KR 20220044999A KR 102662952 B1 KR102662952 B1 KR 102662952B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
bipolar plate
diffuser
water electrolysis
stack assembly
alkaline water
Prior art date
Application number
KR1020220044999A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20230146253A (ko
Inventor
구자훈
Original Assignee
주식회사 테크로스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 테크로스 filed Critical 주식회사 테크로스
Priority to KR1020220044999A priority Critical patent/KR102662952B1/ko
Publication of KR20230146253A publication Critical patent/KR20230146253A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102662952B1 publication Critical patent/KR102662952B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C25B9/73—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type
    • C25B9/75—Assemblies comprising two or more cells of the filter-press type having bipolar electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B11/00—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for
    • C25B11/02—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form
    • C25B11/03—Electrodes; Manufacture thereof not otherwise provided for characterised by shape or form perforated or foraminous
    • C25B11/031—Porous electrodes
    • C25B11/032—Gas diffusion electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C25B15/08—Supplying or removing reactants or electrolytes; Regeneration of electrolytes

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

본 발명은 분리막을 기준으로 캐소드 측과 애노드 측에 각각 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루는 단위 스택을 포함하고, 복수의 상기 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 적층하여 모듈화시킨 것을 특징으로 하는 알칼라인 수전해 스택 조립체에 관한 것으로서, 기체 및 액체의 유로를 단순화할 수 있고, 내부 저항을 감소시켜 성능을 확보할 수 있으며, 다양한 용량에 유연하게 대응할 수 있다.

Description

알칼라인 수전해 스택 조립체{Alkaline electrolysis stack assembly}
본 발명은 단일 셀 적층 방식과 필터프레스 적층 방식을 접목한 알칼라인 수전해 스택 조립체에 관한 것이다.
수소 제조 기술 분야 중에서 수전해는 물을 전기분해하여 고순도(99.999%)의 그린수소를 생산하는 기술로서, 알칼라인 수전해(Alkalnie electrolysis; AEL), 고분자 전해질막 수전해(Polymer electrolyte membrane electrolysis; PEMEL), 고체 산화물 수전해(Solid Oxide Electrolyser Cell; SOEC) 기술 등을 포함한다.
이 중에서 알칼라인 수전해는 KOH 또는 NaOH 등의 알칼리 수용액을 전해질로 사용하여 염기성 환경에서 물을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시키는 기술로서, 가장 오랜 시간 연구되어 왔으며, 다양한 기술을 통해 안정성 및 가격 경쟁력이 입증되었고, 기술적 성숙도가 높다. 구체적으로, 고분자 전해질막 수전해(PEM)의 경우 귀금속 촉매를 사용하지만, 알칼라인 수전해는 고가의 귀금속 촉매가 아니라 니켈 또는 스테인리스강을 주요 소재로 사용하므로 초기 설치 비용이 상대적으로 저렴하고, 시스템 수명이 길며 대용량 수소 발생에 적합한 기술이다.
이러한 알칼라인 수전해 기술에 사용되는 수전해조 스택(stack)은 수소 및 산소 발생 전극, 분리막, 가스켓, 집전판 등으로 구성된다. 그리고, 종래의 알칼라인 수전해 기술의 스택은, 단일 셀을 적층하는 단일 셀 적층 방식과 클로로-알칼리 기술을 변형한 필터프레스(filter-press) 방식으로 나뉠 수 있다. 여기서, 단일 셀을 적층하는 스택 방식은 엔드 플레이트, 집전판, 가스켓, 메쉬형 확산층, 전극, 분리막을 연결하는 셀 프레임을 순차적으로 연결하여 단일 셀을 구성하고, 셀을 원하는 수만큼 적층하여 볼트로 고정하여 스택을 구성한다. 또한, 필터프레스 방식은 종래의 클로로-알칼리 공정(Chloro-alkali process)를 변형하여 단일 셀을 원하는 수만큼 연결하여 스택을 구성한다. 이러한 종래의 스택 적층 방식들은 단일 셀을 필요한 수 만큼 적층하여 용량을 확보할 수 있고, 단일 셀들의 연속적인 연결로 인하여 기체 및 액체의 유로를 단순화할 수 있고, 내부 저항이 감소하여 성능 확보에 유리하다.
그러나, 종래의 수전해 기술 중 단일 셀 적층 방식의 스택은 부품의 손상 및 성능 저하시 전체 스택을 분리하여 해당 부품을 교체해야 하므로 수전해 시스템의 동작이 장기간 정지할 수 밖에 없으며 현장 조치가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 단일 셀 적층 방식의 스택은 단일 셀을 수십 장 내지 수백 장 적층할 경우, 스택 구성 부품들 간의 단차없이 부품들을 정확하게 정합 배치시키는데 어려움이 있다.
또한, 필터프레스 방식의 스택은 종래의 클로로-알칼리 기술에서 가성소다(NaOH)를 제조하는 방식을 변형한 타입으로서, 단일 셀의 부피가 크며 스택 방식에 비해 같은 용량의 수소 생산에 있어서 더 큰 부피를 차지한다. 더욱이, 필터프레스 방식의 스택은 단일 셀을 제작할 때 부품들 간의 내부 용접을 통해 제작되므로 제품 손상 및 성능 저하시 교체에 어려움이 있다. 또한, 필터프레스 방식의 스택은 단일 셀 구조에서 서로 적층 시 유로의 흐름이나 기체의 흐름이 개별적으로 구성되므로 스택 방식에 비해 많은 수의 부품이 필요하며, 관리의 어려움이 발생한다.
선행기술문헌 1: 공개특허공보 제10-2021-0010231호(2021.01.27.)
선행기술문헌 2: 공개특허공보 제10-2003-0090653호(2003.11.28.)
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 단일 셀 적층 방식과 필터프레스 방식을 접목하여 복수의 독립 스택을 연속적으로 필터프레스 방식으로 연결함으로써, 기체 및 액체의 유로를 단순화할 수 있고, 내부 저항을 감소시켜 성능을 확보할 수 있으며, 다양한 용량에 유연하게 대응할 수 있는 알칼라인 수전해 스택 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 위에 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들을 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 분리막을 기준으로 캐소드 측과 애노드 측에 각각 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루는 단위 스택을 포함하고, 복수의 상기 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 적층하여 모듈화시킨 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 단위 스택은 한 쌍의 셀 프레임 지지체를 포함하고, 상기 한 쌍의 셀 프레임 지지체 사이에는 캐소드 측의 상기 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극 그리고 애노드 측의 상기 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극이 제로-갭 방식으로 적층되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 바이폴라 플레이트와 상기 확산체 사이에는 박막 바이폴라 플레이트가 삽입되고, 상기 박막 바이폴라 플레이트의 배면에 상기 확산체가 적층되고, 상기 확산체는 메쉬, 니트, 폼 방식으로 제조된 다공체이며, 상기 확산체는 10㎛ ~ 10mm의 기공 및 0.1mm ~ 20mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
추가적으로, 상기 전극은 상기 확산체의 배면에 적층되고, 상기 분리막은 한 쌍의 전극 사이에 적층되며, 상기 바이폴라 플레이트, 상기 박막 바이폴라 플레이트 및 상기 확산체 사이의 누수를 방지하기 위한 가스켓이 설치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 셀 프레임 지지체는 음극 실과 양극 실이 별도로 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 복수의 상기 단위 스택들을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임 및 복수의 상기 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 가압 적층하여 모듈화시키는 필터프레스 가압 기구를 더 포함하고, 상기 필터프레스 가압 기구는, 상기 한 쌍의 모듈 프레임 중 하나의 모듈 프레임을 다른 하나의 모듈 프레임 측으로 가압하는 유압 피스톤; 및 상기 한 쌍의 모듈 프레임 중 하나의 모서리에 각각 배치되어 모듈 프레임과 단위 스택 사이의 간격 및 압력을 개별적으로 조절하는 조절 나사를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 모듈화된 단위 스택들의 길이방향을 따라 배치된 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드를 더 포함하고, 상기 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드는 서로 독립적으로 배치되어 상기 단위 스택들과 연결된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 바이폴라 플레이트는 적어도 하나 이상의 탄성 구조체를 갖는 접촉면을 구비하고, 상기 탄성 구조체는, 상기 바이폴라 플레이트의 접촉면으로부터 절곡되어 연장되고 상기 접촉면과 소정간격 이격되어 나란하게 배치되는 금속 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
더 바람직하게는, 상기 탄성 구조체는, 상기 바이폴라 플레이트의 접촉면과 상기 금속 플레이트 사이에 설치되어 상기 금속 플레이트를 탄성 복원시키는 스프링; 및 상기 바이폴라 플레이트의 접촉면으로부터 상기 금속 플레이트 측으로 연장되고, 외주에 상기 스프링이 설치되어 상기 스프링의 압축량을 제한하는 스프링 고정체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 1 ~ 100개 이상의 전극과 분리막이 연결된 구조로 하나의 단위 스택을 구성하고, 1 ~ 200개 이상의 단위 스택을 필터프레스 방식으로 연속적으로 연결하여 하나의 수전해 스택 조립체를 구성할 수 있다. 이에 따라, 원하는 발전 용량을 만족하는 다양한 용량의 수전해 스택 조립체를 제조할 수 있다. 이에 따라, 원하는 발전 용량을 만족하는 다양한 용량의 수전해 스택 조립체를 자유롭게 조절하여 구성할 수 있어, 장치의 크기를 줄이고 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 각각의 단위 스택의 고장 및 성능 저하시에 간편하게 필터프레스 가압 기구의 압력을 해제하고 해당 단위 스택 만을 분리하여 간단하게 수리 또는 교체할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전해질, 수소, 산소 이송을 위한 매니폴드들이 서로 독립적으로 하나의 연속된 유로 구조를 가지고, 연속적인 바이폴라 전류 인가 방식을 적용함으로써, 장치의 부피 및 전력 소모량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체의 단위 스택을 도시한 분해 사시도,
도 2는 도 1의 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 적층한 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체를 도시한 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체의 바이폴라 플레이트를 도시한 사시도,
도 4는 도 3의 바이폴라 플레이트를 도시한 측면도,
도 5는 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체의 셀 프레임 지지체를 도시한 평면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 아래에서 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 구성요소를 지칭하는 용어들은 각각의 구성 요소들의 기능을 고려하여 명명된 것이므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 안 될 것이다.
도 1 내지 2를 참조하면, 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체(10)는 복수의 단위 스택(100)으로 구성되며, 각각의 단위 스택(100)은 분리막(110)을 기준으로 캐소드(cathod) 측과 애노드(anode) 측에 각각 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130), 및 전극(140)이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루도록 구성된다. 그리고, 이 복수의 단위 스택들(100)은 필터프레스 방식으로 적층되어 모듈화된다.
구체적으로, 단위 스택(100)은 한 쌍의 셀 프레임 지지체(150)를 포함하고, 이 셀 프레임 지지체(150) 안에는 캐소드 측의 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130) 및 전극(140) 그리고 애노드 측의 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130) 및 전극(140)이 서로 대칭을 이루어 적층된다. 여기서, 바이폴라 플레이트(120)는 외부의 전류를 전극(140)에 인가하는 부스바 역할을 하는 금속 플레이트로서, 필터프레스 방식에서 각 단위 스택(100) 간의 전류를 연결해주는 역할을 한다. 또한, 확산체(130)는 분리막(110)으로부터 애노드 측의 전극(140) 및 캐소드 측의 전극(140)으로 공급되는 유체를 고르게 확산시키는 역할을 한다.
바이폴라 플레이트(120)와 확산체(130) 사이에는 박막 바이폴라 플레이트(160)가 삽입될 수 있다. 이 박막 바이폴라 플레이트(160)는 바이폴라 플레이트(120)로 인가된 전류를 내부의 전극(140)으로 연결해주는 역할을 하며, SUS, 니켈 도금, 니켈 플레이트, 코팅 및 플라즈마를 이용하여 제조될 수 있다. 또한, 박막 바이폴라 플레이트(160)의 배면에는 확산체(130)가 적층된다. 이 확산체(130)는 메쉬, 니트, 폼 방식으로 제조된 다공체이며, 예를 들면 10㎛ ~ 10mm의 기공 및 0.1mm ~ 20mm의 두께를 가질 수 있다.
한편, 전극(140)은 확산체(130)의 배면에 적층되고, 분리막(110)은 이 한 쌍의 전극(140) 사이에 적층된다. 여기서, 전극(140)은 니켈, 철 등을 기초로 Ni, Fe, Co, Mo 등과 같은 전이 금속이 주로 사용될 수 있고, 이 전이 금속을 혼합한 혼합 산화물 등을 각종 금속의 다공체(타공판, 메쉬, 익스펜디드 메탈, 니트) 위에 코팅, 플라즈마 또는 도금 가공하여 제조될 수 있다. 그리고, 전극들(140) 사이에 적층되는 분리막(110)은 강염기 환경에서의 내구성 확보를 위해 세라믹 입자를 분산시킨 다공성 복합체가 사용될 수 있고, 예를 들면 PPS, PPSU 고분자 매트릭스 지지체 위에 지르코늄 혼합물을 분사시켜 제조될 수 있다. 추가적으로, 바이폴라 플레이트(120), 박막 바이폴라 플레이프(160) 및 확산체(130) 사이에는 누수를 방지하기 위한 가스켓(170)이 설치될 수 있다.
한편, 셀 프레임 지지체(150)는 PS, PESU, PP, PPSU, SUS, PTFE 등의 강 알칼리에 내식성이 있는 소재를 사용할 수 있으며, 한 쌍으로 구성되어 수소와 산소 배출을 위한 유로 및 전해질의 유입과 배출을 위한 유로를 포함하여 구성된다. 이 한 쌍의 셀 프레임 지지체(150)는 분리막(110)을 기준으로 대칭으로 적층되며, 내부에 전술한 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130), 전극(140), 분리막(110), 가스켓(170)을 연결해주는 역할을 한다. 특히, 한 쌍의 셀 프레임 지지체(150) 내부에 적층되는 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130), 전극(140), 분리막(110), 가스켓(170)은 제로-갭(zero-gap) 방식으로 적층 되어, 전류 연결을 원할하게 하며, 낮은 저항으로 전류 손실을 감소시키는 효과를 발휘한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체는 복수의 단위 스택들(100)을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임(200) 및 복수의 단위 스택들(100)을 필터프레스 방식으로 가압 적층하여 모듈화시키는 필터프레스 가압 기구(300)를 포함한다.
한 쌍의 모듈 프레임(200)은 단위 스택들(100)을 단일 셀 구조로 만들기 위해 내부의 부품들, 즉 바이폴라 플레이트(120), 확산체(130), 전극(140), 분리막(110), 가스켓(170)을 수용하는 외부 케이스 역할을 한다. 이 모듈 프레임(200)은 PS, PESU, PP, PPSU, SUS, PTFE 등 강 알칼리에 내식성이 있는 소재일 수 있으며, 한 쌍으로 구성되어 볼트와 너트를 이용하여 체결되는 구조를 갖는다.
필터프레스 가압 기구(300)는 유압 피스톤(310) 및 조절 나사들(320)을 포함한다. 유압 피스톤(310)은 한 쌍의 모듈 프레임(200) 중 하나의 모듈 프레임(예를 들면, 애노드 측 모듈 프레임)을 다른 하나의 모듈 프레임(예를 들면, 캐소드 측 모듈 프레임) 측으로 가압하는 역할을 한다. 그리고, 조절 나사(320)는 한 쌍의 모듈 프레임(300) 중 하나(예를 들면, 애노드 측 모듈 프레임)의 모서리에 각각 배치되어 모듈 프레임(300)과 단위 스택(100) 사이의 간격 및 압력을 개별적으로 조절하는 역할을 한다.
여기서, 유압 피스톤(310)은 단위 스택들(100) 그리고 단위 스택들(100) 내부의 부품들 사이의 압력을 조절하는 역할을 하며, 조절 나사들(320)은 단위 스택들(100)의 평탄면을 조절함으로써, 단위 스택들(100) 사이의 세밀한 압력 조절이 가능하다.
특히, 본 발명에 따르면, 1 ~ 100개 이상의 전극과 분리막이 연결된 구조로 하나의 단위 스택(100)을 구성하고, 1 ~ 200개 이상의 단위 스택들(100)을 필터프레스 방식으로 연속적으로 연결하여 하나의 수전해 스택 조립체(10)를 구성할 수 있다. 이에 따라, 원하는 발전 용량을 만족하는 다양한 용량의 수전해 스택 조립체를 자유롭게 조절하여 구성할 수 있다. 또한, 각 단위 스택(100)의 고장 및 성능 저하시에 간편하게 필터프레스 가압 기구의 압력을 해제하고 해당 단위 스택(100)만을 분리하여 수리 또는 교체할 수 있다.
바람직하게는, 모듈화된 단위 스택들(100)의 길이방향을 따라, 즉 수전해 스택 조립체(10)의 길이방향을 따라 수소 배출 매니폴드(20), 산소 배출 매니폴드(30), 수소부 전해질 유입 매니폴드(40), 및 산소부 전해질 유입 매니폴드(50)가 서로 독립적으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 도 2를 기준으로, 수소 배출 매니폴드(20)는 수전해 스택 조립체(10)의 좌측 상부에 배치되고, 산소 배출 매니폴드(30)는 수전해 스택 조립체(10)의 우측 상부에 배치되고, 수소부 전해질 유입 매니폴드(40)는 수전해 스택 조립체(10)의 우측 하부에 배치되고, 산소부 전해질 유입 매니폴드(50)는 수전해 스택 조립체(10)의 좌측 하부에 배치될 수 있다. 그리고, 이 매니폴드들(20, 30, 40, 50)은 서로 독립적으로 배치되어 단위 스택들(100)과 개별적으로 연결된다. 이러한 매니폴드들(20, 30, 40, 50)의 배치 및 연결 구조에 의해, 제품의 부피 및 전력 소모량을 줄이고, 션트 전류에 의한 장비의 손상을 방지할 수 있다.
한편, 필터프레스 방식의 수전해 스택의 경우, 각각의 단위 스택에 모노폴라 방식으로 전류를 인가하면 인가되는 전류의 합이 바이폴라 방식에 비해 훨씬 높은 전압을 발생시킨다. 이 때문에, 본 발명에서는 바이폴라 방식의 스택 적층 방식을 채용한다. 물론, 단위 스택(100)을 다중으로 사용시 모노폴라 방식의 전류 인가도 가능하다.
또한, 필터프레스 방식에서 각각의 단위 스택(100)의 적층 시 접촉면들의 평탄 불균형은 높은 저항값을 나타내며, 이로 인해 열이 발생하고 제품 성능을 저하시킨다. 본 발명은 적층 시 부품 접촉면들의 평탄 불균형을 최소화하기 위한 구조를 갖는다.
구체적으로, 도 3과 4를 참조하면, 본 발명에 따른 알칼라인 수전해 스택 조립체의 바이폴라 플레이트(120)는 적어도 하나 이상의 탄성 구조체(180)를 갖는 접촉면(121)을 구비한다. 이 탄성 구조체(180)는 바이폴라 플레이트(120)의 접촉면(121)으로부터 절곡되어 연장된 금속 플레이트(181)를 포함할 수 있다. 또한, 이 금속 플레이트(181)는 바이폴라 플레이트(120)의 접촉면(121)과 소정간격 이격되어 나란하게 배치된다.
이러한 바이폴라 플레이트(120)의 탄성 구조체(180)의 금속 플레이트(181)는 판 스프링과 같은 형태로 소정의 탄성을 가지므로, 단위 스택(100)의 바이폴라 플레이트(120)와 전극(140)이 충분한 면적과 힘으로 접속될 수 있어 내부 저항을 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 바이폴라 플레이트(120)의 탄성 구조체(180)는 금속 플레이트(181)의 탄성 복원과 금속 플레이트(181)의 탄성 변형량을 제한하기 위해 스프링(182)과 스프링 고정체(183)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 스프링(182)은 바이폴라 플레이트(120)의 접촉면(121)과 금속 플레이트(181) 사이에 설치되어 금속 플레이트(181)를 탄성 복원시키는 역할을 한다. 이 스프링(182)은 판 스프링, 인장 스프링, 압축 스프링 등 다양한 형태의 탄성 부재일 수 있다. 그리고, 스프링 고정체(183)는 바이폴라 플레이트(120)의 접촉면(121)으로부터 금속 플레이트(181) 측으로 연장되고, 그 외주에 스프링(182)이 설치되어 스프링(182)의 압축량을 제한함으로써, 금속 플레이트(181)의 탄성 변형량을 제한하는 역할을 한다.
예를 들면, 탄성 구조체(180)의 금속 플레이트(181)는 스프링(182)과 스프링 고정체(183)에 의해 설정 값인 1 ~ 5mm 이내에서 압축과 복원을 반복할 수 있다. 또한, 스프링(182)은 단위 스택(100)의 크기에 따라 5 ~ 50개로 구성되어 적용될 수 있고, 스프링(182)의 설치 위치 변경을 통해 금속 플레이트(181)의 압축 범위를 설정할 수 있다.
도 5를 참조하면, 내부 전해질이나 기체의 흐름을 유도하는 역할을 하는 단위 스택(100)의 셀 프레임 지지체(150)는 음극 실(151)과 양극 실(152)이 별도로 구성되어 전해 공급이 이루어짐으로써, 션트 전류에 의한 제품의 손상이나 성능 저하를 방지할 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 보여준 것에 불과하며, 본 발명의 보호 범위는 이하 특허청구범위에 의하여 해석되어야 마땅할 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것인 바, 본 발명과 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 스택 조립체 20: 수소 배출 매니폴드
30: 산소 배출 매니폴드 40: 수소부 전해질 유입 매니폴드
50: 산소부 전해질 유입 매니폴드 100: 단위 스택
110: 분리막 120: 바이폴라 플레이트
130: 확산체 140: 전극
150: 셀 프레임 지지체 160: 박막 바이폴라 플레이트
170: 가스켓 180: 탄성 구조체
181: 탄성 플레이트 182: 스프링
183: 스프링 고정체 200: 모듈 프레임
300: 필터프레스 가압 기구 310: 유압 피스톤
320: 조절 나사

Claims (9)

  1. 분리막을 기준으로 캐소드 측과 애노드 측에 각각 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루는 단위 스택을 포함하고, 복수의 상기 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 적층하여 모듈화시킨 알칼라인 수전해 스택 조립체로서,
    상기 바이폴라 플레이트는 적어도 하나 이상의 탄성 구조체를 갖는 접촉면을 구비하고, 상기 탄성 구조체는,
    상기 바이폴라 플레이트의 접촉면으로부터 절곡되어 연장되고 상기 접촉면과 소정간격 이격되어 나란하게 배치되는 금속 플레이트;
    상기 바이폴라 플레이트의 접촉면과 상기 금속 플레이트 사이에 설치되어 상기 금속 플레이트를 탄성 복원시키는 스프링; 및
    상기 바이폴라 플레이트의 접촉면으로부터 상기 금속 플레이트 측으로 연장되고, 외주에 상기 스프링이 설치되어 상기 스프링의 압축량을 제한하는 스프링 고정체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위 스택은 한 쌍의 셀 프레임 지지체를 포함하고, 상기 한 쌍의 셀 프레임 지지체 사이에는 캐소드 측의 상기 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극 그리고 애노드 측의 상기 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극이 제로-갭 방식으로 적층되는 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트와 상기 확산체 사이에는 박막 바이폴라 플레이트가 삽입되고, 상기 박막 바이폴라 플레이트의 배면에 상기 확산체가 적층되고, 상기 확산체는 다공체이며, 상기 확산체는 10㎛ ~ 10mm의 기공 및 0.1mm ~ 20mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전극은 상기 확산체의 배면에 적층되고, 상기 분리막은 한 쌍의 전극 사이에 적층되며, 상기 바이폴라 플레이트, 상기 박막 바이폴라 플레이트 및 상기 확산체 사이의 누수를 방지하기 위한 가스켓이 설치되는 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 셀 프레임 지지체는 음극 실과 양극 실이 별도로 구성된 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    복수의 상기 단위 스택들을 수용하는 한 쌍의 모듈 프레임 및 복수의 상기 단위 스택들을 필터프레스 방식으로 가압 적층하여 모듈화시키는 필터프레스 가압 기구를 더 포함하고,
    상기 필터프레스 가압 기구는,
    상기 한 쌍의 모듈 프레임 중 하나의 모듈 프레임을 다른 하나의 모듈 프레임 측으로 가압하는 유압 피스톤; 및
    상기 한 쌍의 모듈 프레임 중 하나의 모서리에 각각 배치되어 모듈 프레임과 단위 스택 사이의 간격 및 압력을 개별적으로 조절하는 조절 나사를 포함하는 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    모듈화된 단위 스택들의 길이방향을 따라 배치된 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드를 더 포함하고,
    상기 수소 배출 매니폴드, 산소 배출 매니폴드, 수소부 전해질 유입 매니폴드, 및 산소부 전해질 유입 매니폴드는 서로 독립적으로 배치되어 상기 단위 스택들과 연결된 것을 특징으로 하는, 알칼라인 수전해 스택 조립체.
  8. 삭제
  9. 삭제
KR1020220044999A 2022-04-12 2022-04-12 알칼라인 수전해 스택 조립체 KR102662952B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220044999A KR102662952B1 (ko) 2022-04-12 2022-04-12 알칼라인 수전해 스택 조립체

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220044999A KR102662952B1 (ko) 2022-04-12 2022-04-12 알칼라인 수전해 스택 조립체

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230146253A KR20230146253A (ko) 2023-10-19
KR102662952B1 true KR102662952B1 (ko) 2024-05-03

Family

ID=88507773

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220044999A KR102662952B1 (ko) 2022-04-12 2022-04-12 알칼라인 수전해 스택 조립체

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102662952B1 (ko)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003160891A (ja) * 2001-11-26 2003-06-06 Hitachi Zosen Corp 固体高分子型水電解槽における締め付け装置
KR100449932B1 (ko) * 1996-10-03 2005-01-13 누베라 퓨엘 셀스 유로프 에스.아르.엘 막전해조또는전기화학발전기에서기능불량기본셀을배제하기위한방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ITMI20010458A1 (it) * 2001-03-06 2002-09-06 Nuvera Fuel Cells Europ Srl Metodo di cortocircuitazione di una cella elettrochimica elementare malfunzionante di una struttura filtro-pressa
KR102375457B1 (ko) * 2020-05-26 2022-03-17 중앙대학교 산학협력단 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100449932B1 (ko) * 1996-10-03 2005-01-13 누베라 퓨엘 셀스 유로프 에스.아르.엘 막전해조또는전기화학발전기에서기능불량기본셀을배제하기위한방법
JP2003160891A (ja) * 2001-11-26 2003-06-06 Hitachi Zosen Corp 固体高分子型水電解槽における締め付け装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR20230146253A (ko) 2023-10-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9062383B2 (en) Elementary cell and relevant modular electrolyser for electrolytic processes
KR101198220B1 (ko) 삼차원 메쉬를 이용한 고분자전해질 수전해 장치
US10053786B2 (en) Differential pressure water electrolysis system
US10053783B2 (en) Differential pressure water electrolysis system
US20130015059A1 (en) Electrochemical device
CA2982973C (en) Diaphragm-electrode assembly for use in alkaline water electrolysers
WO2006123716A1 (ja) イオン交換膜型電解槽
JPWO2008149554A1 (ja) 高分子電解質型燃料電池
US9828682B2 (en) Differential pressure water electrolysis apparatus
US10287692B2 (en) Diaphragm-electrode assembly for use in alkaline water electrolysers
CN115287687B (zh) 一种电解槽密封结构
KR102662952B1 (ko) 알칼라인 수전해 스택 조립체
US10041178B2 (en) End pressure plate for electrolysers
CN215517660U (zh) 一种运用烧结网板的制氢电解槽
KR20020072831A (ko) 전해조
KR20240015363A (ko) 조립형 단일 셀 방식의 수전해 모듈
JP2011208163A (ja) 水電解装置
CN117286542B (zh) 气液分离盒、双极板、电解槽及制氢***
JP5451575B2 (ja) 水電解装置
CN220685252U (zh) 一种新型碱性水电解槽
CN221460519U (zh) 电解槽及制氢***
JP3988002B2 (ja) フィルタ−プレス式固体高分子型水電解セル
CN216237301U (zh) 一种高效的质子交换膜电解槽
JP2014040636A (ja) 差圧式水電解装置
CN219772281U (zh) 一种基于线密封的高压水电解槽

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant