KR20210001556A - Electrochemical hydrogen compressor - Google Patents

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KR20210001556A
KR20210001556A KR1020190077824A KR20190077824A KR20210001556A KR 20210001556 A KR20210001556 A KR 20210001556A KR 1020190077824 A KR1020190077824 A KR 1020190077824A KR 20190077824 A KR20190077824 A KR 20190077824A KR 20210001556 A KR20210001556 A KR 20210001556A
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    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B01D61/46—Apparatus therefor
    • B01D61/50—Stacks of the plate-and-frame type

Abstract

The present invention relates to an electrochemical hydrogen compressor which includes a plurality of anodes and cathodes stacked with a hydrogen ion permeation membrane interposed between each anode and cathode, allows hydrogen ionized in a redox reaction generated by applying electric power to the anodes and cathodes from hydrogen supplied from the outside to permeate the proton permeation membrane so that hydrogen may be compressed. According to the present invention, the electrochemical hydrogen compressor has a compact structure and a large surface area for compression and allows compression of a large amount of hydrogen even in a small volume. Therefore, the electrochemical hydrogen compressor allows highly efficient compression and pumping of hydrogen, has a reduced system size to reduce the area required for installation, reduces energy consumption to provide high cost-efficiency, can be provided with high durability, and can improve the stability and reliability of hydrogen pumping operation through the electrochemical hydrogen pumping.

Description

전기화학적 수소 압축기{Electrochemical hydrogen compressor}Electrochemical hydrogen compressor

본 발명은 전기화학적 수소 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소를 연료로 사용하는 차량이나 드론 또는 지게차 등과 같은 다양한 수소 충전 대상물에 수소를 안전하면서도 고압 및 고효율로 충전하도록 하는 전기화학적 수소 압축기에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical hydrogen compressor, and more particularly, to an electrochemical hydrogen compressor for safely charging hydrogen into various hydrogen charging objects such as vehicles, drones, or forklifts using hydrogen as fuel, with high pressure and high efficiency. will be.

일반적으로, 연료전지란 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)를 의미하며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 특징을 갖는다. In general, a fuel cell refers to a cell that has the ability to produce direct current by directly converting chemical energy of fuel (hydrogen) into electrical energy. Unlike conventional cells, fuel and air are supplied from the outside. It has the characteristic of generating electricity continuously.

최근에는 연료전지가 자동차에 응용되어 많은 연구와 개발이 이루어지고 있는 상태이며, 이러한 연료전지 자동차는 전기 자동차와 거의 특성이 비슷하여 구동 방법상 근본적인 차이가 없지만, 연료전지 자동차는 환경친화적인 측면에서 매우 유리하고, 그 구동원을 위한 에너지원으로서 순수 수소 혹은 개질 수소를 사용하여 발생하는 전력을 사용하는 점에 차이가 있다.In recent years, fuel cells have been applied to automobiles and a lot of research and development has been conducted. These fuel cell vehicles have almost similar characteristics to electric vehicles, so there is no fundamental difference in driving method, but fuel cell vehicles are environmentally friendly. It is very advantageous, and there is a difference in using power generated by using pure hydrogen or reformed hydrogen as an energy source for its driving source.

연료전지에서는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는데, 공급된 수소가 음극 전극의 촉매에서 수소 이온과 전자로 분리되고, 분리된 수소 이온이 전해질 막을 통해 양극으로 넘어가게 된다.In a fuel cell, electricity is generated by electrochemically reacting hydrogen and oxygen to generate water. The supplied hydrogen is separated into hydrogen ions and electrons in the catalyst of the cathode electrode, and the separated hydrogen ions pass to the anode through the electrolyte membrane. do.

이러한 연료전지를 사용하는 차량에서는 연료로 사용되는 수소를 수소저장탱크에 미리 충전시킨 뒤, 수소저장탱크에 저장된 수소를 관련 배관을 통해 연료전지 스택으로 공급하여 전기를 생산하며, 연료전지 스택에서 생산된 전기로 모터를 구동시켜 차량을 주행시킨다.In vehicles using such fuel cells, hydrogen, which is used as fuel, is pre-charged in the hydrogen storage tank, and then the hydrogen stored in the hydrogen storage tank is supplied to the fuel cell stack through related piping to produce electricity, and produced from the fuel cell stack. The vehicle is driven by driving the motor with the old electricity.

종래 수소 충전과 관련된 기술로는 한국등록특허 제10-1918533호의 "차량의 수소 충전 시스템 및 충전 방법"이 제시된 바 있는데, 이는 연료의 충전 및 공급이 가능하도록 구성된 매니폴드와, 상기 매니폴드를 통해 충전된 연료를 저장하는 저장탱크와, 상기 매니폴드를 통해 공급된 연료의 압력을 조절하는 레귤레이터와, 상기 레귤레이터에서 공급된 연료를 사용하여 전기를 생산하는 스택과, 상기 매니폴드와 상기 저장탱크 사이에 설치되어 연료의 충전 및 공급을 제어하는 탱크밸브를 포함하되, 상기 탱크밸브는, 상기 매니폴드와 연결된 출입포트와, 상기 출입포트에서 상기 저장탱크까지 연장된 충전유로와, 충전 연료를 여과하는 제1필터와, 충전 연료의 유량을 조절하는 정량밸브와, 충전 연료의 역류를 방지하는 제1체크밸브와, 상기 저장탱크에서 상기 출입포트까지 연장된 공급유로와, 공급 연료를 여과하는 제2필터와, 공급 연료의 흐름을 수동으로 단속하는 수동밸브와, 공급 연료의 흐름을 단속하거나 압력을 조절하는 솔밸브와, 공급 연료의 역류를 방지하는 제2체크밸브와, 상기 제2필터와 상기 수동밸브 사이에는 상기 저장탱크에 저장된 연료의 온도가 상승할 경우 상기 저장탱크의 압력을 해소하기 위해 작동하여 연료의 흐름을 제어하는 제어장치와, 상기 솔밸브와 상기 제2체크밸브 사이에는 수소 충전 시스템의 수리 및 부품 교체 시 상기 저장탱크의 압력을 배출하기 위한 벤트를 포함하는 차량의 수소 충전 시스템에 의한 충전 방법에 있어서, 차량의 리셉터클에 외부 공급원의 충전 노즐을 접속하는 단계; 상기 충전 노즐을 통해 주입된 연료가 매니폴드를 통해 탱크밸브의 출입포트로 이송되는 단계; 상기 출입포트로 이송된 연료가 충전유로를 따라 이송되어 저장탱크에 저장되는 단계; 및, 상기 솔밸브가 작동하여 상기 공급유로를 폐쇄함으로써 상기 저장탱크에 충전된 연료가 상기 매니폴드로 배출되는 것을 방지하는 단계를 포함하되, 상기 충전유로를 따라 연료가 이송되는 단계에서, 상기 제1필터는 연료에 포함된 이물질을 제거하고, 상기 정량 밸브는 연료가 정량으로 이송되도록 하며, 상기 제1체크밸브는 상기 저장탱크에 충전된 연료가 상기 충전유로로 역류하는 것을 방지하고, 상기 저장탱크에 연료가 완충되면 상기 충전유로에 잔존하는 연료가 상기 매니폴드를 통해 상기 레귤레이터 측으로 배출되고, 상기 솔밸브가 상기 공급유로의 폐쇄상태를 유지하여 상기 저장탱크에 충전된 연료가 상기 매니폴드로 배출되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.As a technology related to hydrogen charging in the related art, the “hydrogen charging system and charging method of a vehicle” of Korean Patent No. 10-1918533 has been proposed, which includes a manifold configured to allow charging and supply of fuel, and through the manifold. A storage tank for storing charged fuel, a regulator for controlling the pressure of the fuel supplied through the manifold, a stack for generating electricity by using the fuel supplied from the regulator, and between the manifold and the storage tank And a tank valve installed in and controlling the filling and supply of fuel, wherein the tank valve includes an entry port connected to the manifold, a filling passage extending from the entry port to the storage tank, and filtering the charged fuel. A first filter, a quantitative valve that adjusts the flow rate of the charged fuel, a first check valve that prevents reverse flow of the charged fuel, a supply passage extending from the storage tank to the inlet port, and a second filtering the supply fuel A filter, a manual valve that manually regulates the flow of the supply fuel, a sol valve that regulates the flow of the supply fuel or regulates the pressure, a second check valve that prevents reverse flow of the supply fuel, the second filter and the Between the manual valves, a control device that controls the flow of fuel by operating to relieve the pressure in the storage tank when the temperature of the fuel stored in the storage tank rises, and a hydrogen filling between the sol valve and the second check valve What is claimed is: 1. A method of charging by a hydrogen charging system for a vehicle including a vent for discharging the pressure of the storage tank when the system is repaired and parts are replaced, the method comprising: connecting a charging nozzle of an external source to a receptacle of the vehicle; Transferring the fuel injected through the filling nozzle to the entry port of the tank valve through the manifold; The fuel transferred to the access port is transferred along a filling passage and stored in a storage tank; And preventing the fuel charged in the storage tank from being discharged to the manifold by operating the sol valve to close the supply flow path, wherein in the step of transferring the fuel along the filling flow path, the first 1 The filter removes foreign substances contained in the fuel, the quantitative valve allows the fuel to be conveyed in a fixed amount, the first check valve prevents the fuel charged in the storage tank from flowing back into the filling passage, and the storage When the tank is filled with fuel, the fuel remaining in the filling channel is discharged to the regulator through the manifold, and the sol valve maintains the closed state of the supply channel so that the fuel charged in the storage tank is transferred to the manifold. It is characterized in that it prevents discharge.

그러나, 이와 같은 종래 기술은 수소를 안전하게 고압으로 충전하기 위한 펌프 기술이 제시되어 있지 않고, 수소 충전의 고효율을 구현하는데 어려움이 따르며, 콤팩트한 구조의 구현이 어려워 시스템의 크기를 줄이는데 도움이 되지 못하는 문제점을 가지고 있었다.However, such a conventional technology does not provide a pump technology for safely charging hydrogen at high pressure, and it is difficult to implement high efficiency of hydrogen charging, and it is difficult to implement a compact structure, which is not helpful in reducing the size of the system. I had a problem.

또한, 종래 수소의 펌핑을 위하여, 다이어프램이나 부스터를 채용한 기계적 펌프의 경우, 고압으로의 구현이 쉽지 않을 뿐만 아니라, 고압으로 구현하더라도 내구성이 현저하게 저하되고, 에너지 소모가 심할 뿐만 아니라, 사이즈 역시 커지게 됨으로써, 충전 시스템의 대형화를 야기하는 문제점을 가지고 있었다.In addition, in the case of a conventional mechanical pump employing a diaphragm or a booster for pumping hydrogen, it is not easy to implement at high pressure, and even if implemented at high pressure, durability is significantly lowered, energy consumption is severe, and the size is also As it becomes larger, there is a problem that causes an enlargement of the charging system.

상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 컴팩트하면서도 압축을 위한 표면적을 넓게 형성함으로써, 작은 부피에서도 많은 양의 수소 압축을 가능하도록 하여, 고효율의 수소 압축 및 펌핑을 가능하도록 하면서도 시스템의 크기를 줄이면서 설치에 소요되는 면적을 줄이도록 하고, 에너지 소모를 줄여서 경제적이며, 내구성이 뛰어나고, 전기화학적 수소의 펌핑에 의해 수소 펌핑 동작의 안정성 및 신뢰성을 향상시키는데 기여하는 목적이 있다.In order to solve the problems of the prior art as described above, the present invention makes it possible to compress a large amount of hydrogen even in a small volume by forming a compact and wide surface area for compression, thereby enabling highly efficient hydrogen compression and pumping. The purpose of this is to reduce the area required for installation while reducing the size of the system, reduce energy consumption, and thus are economical, excellent in durability, and contribute to improving the stability and reliability of hydrogen pumping operation by pumping electrochemical hydrogen.

본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Other objects of the present invention will be easily understood through the description of the following embodiments.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 애노드와 캐소드가 수소이온투과막을 사이에 두고 다수로 적층되고, 외부로부터 공급되는 수소를 상기 애노드와 상기 캐소드에 전원을 인가하여 발생하는 산화 및 환원 반응에서 이온화된 수소가 수소이온투과막을 투과하도록 함으로써, 수소의 압축이 이루어지도록 하는, 전기화학적 수소압축기가 제공된다.In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, a plurality of anodes and cathodes are stacked with a hydrogen ion permeable membrane therebetween, and hydrogen supplied from the outside is applied to the anode and the cathode. An electrochemical hydrogen compressor is provided that allows the hydrogen to be compressed by allowing ionized hydrogen to permeate the hydrogen ion permeable membrane in the oxidation and reduction reactions that occur.

수소가스가 주입 및 토출되기 위한 주입구 및 토출구가 내측의 수용공간에 연결되도록 형성되고, 구동을 위한 전원이 인가되는 케이싱; 상기 수용공간 내에 다수로 나란하게 설치되고, 중심부에 금속의 애노드링이 마련되며, 상기 애노드링의 둘레에 애노드다공디스크가 마련되고, 상기 애노드링의 중심부에 상기 토출구에 연결되기 위한 애노드홀이 형성되는 애노드; 상기 수용공간 내에 상기 애노드 각각에 대향되도록 설치되고, 가장자리에 금속의 캐소드링이 마련되며, 상기 캐소드링의 내측에 캐소드다공디스크가 마련되고, 상기 캐소드다공디스크의 중심부에 상기 애노드홀과 일치하도록 캐소드홀이 형성되는 캐소드; 및 상기 애노드 및 상기 캐소드 사이마다 개재됨으로써, 상기 애노드 및 상기 캐소드와 함께 적층되고, 상기 애노드링과 상기 캐소드링이 양측에 각각 면접촉되어 기밀되게 접착되며, 수소가스의 통과를 차단하면서 양성자 도전성을 가지고, 상기 애노드홀과 상기 캐소드홀을 서로 연결시키도록 연결홀이 형성되는 수소이온투과막;을 포함할 수 있다.A casing in which an injection port and a discharge port for injection and discharge of hydrogen gas are formed to be connected to an inner receiving space, and to which power for driving is applied; In the receiving space, a plurality of metal anode rings are provided in the center, an anode porous disk is provided around the anode ring, and an anode hole is formed in the center of the anode ring to be connected to the discharge port. The anode being; It is installed to face each of the anodes in the receiving space, a metal cathode ring is provided at the edge, a cathode porous disk is provided inside the cathode ring, and a cathode is provided in the center of the cathode porous disk to coincide with the anode hole. A cathode in which a hole is formed; And interposed between the anode and the cathode, and are laminated together with the anode and the cathode, and the anode ring and the cathode ring are in face contact with each other to be airtightly adhered to each other. And a hydrogen ion permeable membrane having a connection hole formed to connect the anode hole and the cathode hole to each other.

상기 케이싱은, 상기 주입구가 마련되는 링본체; 상기 링본체의 양측을 차단함으로써 상기 링본체의 내측에 상기 수용공간이 형성되도록 각각 설치되고, 중심부에 상기 토출구가 형성되며, 상기 애노드, 상기 캐소드 및 상기 수소이온투과막가 다수로 적층되는 적층구조물의 양측에 밀착되고, 각각이 전원공급부로부터 전원이 공급되는 차단판; 및 상기 차단판의 가장자리를 서로 연결시킴으로써 상기 차단판이 상기 링본체의 양측에 고정되도록 하는 다수의 고정볼트 및 너트;를 포함할 수 있다.The casing includes a ring body in which the injection port is provided; By blocking both sides of the ring body, each is installed so as to form the receiving space inside the ring body, the discharge port is formed in the center, and the anode, the cathode, and the hydrogen ion permeable film are stacked in plurality A blocking plate in close contact with both sides, each of which is supplied with power from a power supply; And a plurality of fixing bolts and nuts that connect the edges of the blocking plate to each other so that the blocking plate is fixed to both sides of the ring body.

상기 링본체는, 상기 적층구조물의 가장자리 둘레로부터 내측면이 이격됨으로써 이격공간을 형성하고, 상기 이격공간에 의해 상기 주입구를 통해 주입되는 수소가스가 상기 적층구조물의 둘레로 분산되어 상기 애노드 측으로 공급되도록 할 수 있다.The ring body is spaced apart from the edge of the stacked structure to form a space, and hydrogen gas injected through the injection port is distributed around the stacked structure and supplied to the anode. can do.

상기 애노드는, 상기 애노드링을 중심에 두고 그 둘레에 금속 파우더를 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써 상기 애노드링에 상기 애노드다공디스크가 일체를 이루도록 형성될 수 있다.The anode may be formed so that the anode porous disk is integrally formed with the anode ring by compressing and sintering metal powder around the anode ring in a disk shape.

상기 캐소드는, 상기 캐소드링의 내측에 금속 파우더를 상기 캐소드홀을 형성하는 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써, 상기 캐소드링에 상기 캐소드다공디스크가 일체를 이루도록 형성될 수 있다.The cathode may be formed such that the porous cathode disk is integrally formed with the cathode ring by compressing and sintering the metal powder inside the cathode ring into a disk shape forming the cathode hole.

본 발명에 따른 전기화학적 수소 압축기에 의하면, 컴팩트하면서도 압축을 위한 표면적을 넓게 형성함으로써, 작은 부피에서도 많은 양의 수소 압축을 가능하도록 하여, 고효율의 수소 압축 및 펌핑을 가능하도록 하면서도 시스템의 크기를 줄이면서 설치에 소요되는 면적을 줄일 수 있고, 에너지 소모를 줄여서 경제적일 수 있으며, 내구성이 뛰어나도록 할 수 있고, 전기화학적 수소의 펌핑에 의해 수소 펌핑 동작의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.According to the electrochemical hydrogen compressor according to the present invention, by forming a compact and wide surface area for compression, a large amount of hydrogen can be compressed even in a small volume, thereby enabling highly efficient hydrogen compression and pumping, while reducing the size of the system. At the same time, the area required for installation can be reduced, energy consumption can be reduced, so that it can be economical, and have excellent durability, and stability and reliability of a hydrogen pumping operation can be improved by pumping electrochemical hydrogen.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 전기화학적 수소 압축기를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 전기화학적 수소 압축기를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 전기화학적 수소 압축기를 도시한 분해도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 전기화학적 수소 압축기의 요부를 도시한 분해도이다.1 is a perspective view showing an electrochemical hydrogen compressor according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing an electrochemical hydrogen compressor according to an embodiment of the present invention.
3 is an exploded view showing an electrochemical hydrogen compressor according to an embodiment of the present invention.
4 is an exploded view showing a main part of an electrochemical hydrogen compressor according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다. In the present invention, various changes may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, and should be understood in a way that includes all changes, equivalents, or substitutes included in the technical spirit and scope of the present invention, and may be modified in various other forms. It can be, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, and the same reference numerals are assigned to the same or corresponding components regardless of the reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 전기화학적 수소 압축기를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 전기화학적 수소 압축기를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 전기화학적 수소 압축기를 도시한 분해도고, 도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 전기화학적 수소 압축기의 요부를 도시한 분해도이다.1 is a perspective view showing an electrochemical hydrogen compressor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view showing an electrochemical hydrogen compressor according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is an embodiment of the present invention An exploded view showing an electrochemical hydrogen compressor according to an example, and FIG. 4 is an exploded view showing a main part of an electrochemical hydrogen compressor according to an embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 전기화학적 수소 압축기(100)는 케이싱(110), 애노드(120), 캐소드(130) 및 수소이온투과막(140)을 포함할 수 있다.1 to 4, an electrochemical hydrogen compressor 100 according to an embodiment of the present invention includes a casing 110, an anode 120, a cathode 130, and a hydrogen ion permeable membrane 140. I can.

케이싱(110)은 수소가스가 주입 및 토출되기 위한 주입구(111) 및 토출구(112)가 내측의 수용공간(113)에 연결되도록 형성될 수 있고, 구동을 위한 전원이 인가된다.The casing 110 may be formed such that the injection port 111 and the discharge port 112 through which hydrogen gas is injected and discharged are connected to the receiving space 113 inside, and power for driving is applied.

케이싱(110)은 주입구(111)가 마련되는 링본체(114)와, 링본체(114)의 양측을 차단함으로써 링본체(114)의 내측에 수용공간(113)이 형성되도록 각각 설치되고, 중심부에 토출구(112)가 형성되며, 애노드(120), 캐소드(130) 및 수소이온투과막(140)이 다수로 적층되는 적층구조물(120,130,140)의 양측에 밀착되고, 각각이 전원공급부(150)로부터 전원이 공급되는 차단판(115)과, 차단판(115)의 가장자리를 서로 연결시킴으로써 차단판(115)이 링본체(114)의 양측에 고정되도록 하는 다수의 고정볼트(116) 및 너트(미도시)를 포함할 수 있다. The casing 110 is installed to form a receiving space 113 inside the ring body 114 by blocking both sides of the ring body 114 and the ring body 114 in which the injection hole 111 is provided, and the center The discharge port 112 is formed in, and the anode 120, the cathode 130 and the hydrogen ion permeable film 140 are in close contact with both sides of the stacked structure 120, 130, 140 in which a plurality of layers are stacked, each of which is from the power supply unit 150 A plurality of fixing bolts 116 and nuts (not shown) for fixing the blocking plate 115 to both sides of the ring body 114 by connecting the blocking plate 115 to which power is supplied and the edges of the blocking plate 115 to each other. Poem).

차단판(115)은 일측면에 링본체(114)가 끼워지도록 끼움홈(115a)이 형성됨으로써 끼움홈(115a)에 링본체(114)가 끼워진 상태에서 가장자리를 따라 고정볼트(116)가 끼워져서 너트(미도시)에 체결되는데, 링본체(114)와 차단판(115) 사이에 기밀을 위한 오링(117) 등이 설치될 수 있다. 여기서, 링본체(114)는 상기의 적층구조물(120,130,140)의 가장자리 둘레로부터 내측면이 이격됨으로써 이격공간(114a)을 형성하고, 이격공간(114a)에 의해 주입구(111)를 통해 주입되는 수소가스가 적층구조물(120,130,140)의 둘레로 분산되어 애노드(120) 측으로 공급되도록 할 수 있다. 전원공급부(150)는 예컨대 애노드(120)와 캐소드(130) 한 쌍 기준으로 0.3~0.5V일 수 있고, 애노드(120)와 캐소드(130)가 다수인 경우 0.3~0.5V의 배수일 수 있다. 차단판(115)은 도전성 재질로 이루어질 수 있고, 링본체(114)는 차단판(115)을 서로 전기적으로 절연시키는 재질로 이루어질 수 있으나, 반드시에 이에 한하는 것은 아니다.The blocking plate 115 is formed with a fitting groove 115a so that the ring body 114 is fitted on one side thereof, so that the fixing bolt 116 is inserted along the edge while the ring body 114 is inserted into the fitting groove 115a. It is fastened to a nut (not shown), and an O-ring 117 for airtightness may be installed between the ring body 114 and the blocking plate 115. Here, the ring body 114 is spaced apart from the periphery of the edge of the stacked structures 120, 130, 140 to form a spaced space 114a, and hydrogen gas injected through the injection port 111 by the spaced space 114a May be distributed around the stacked structures 120, 130, and 140 to be supplied to the anode 120 side. The power supply unit 150 may be, for example, 0.3 to 0.5V based on a pair of the anode 120 and the cathode 130, and may be a multiple of 0.3 to 0.5V when the anode 120 and the cathode 130 are plural. . The blocking plate 115 may be made of a conductive material, and the ring body 114 may be made of a material that electrically insulates the blocking plate 115 from each other, but is not limited thereto.

애노드(120)는 수용공간(113) 내에 다수로 나란하게 설치될 수 있고, 중심부에 금속의 애노드링(121)이 마련될 수 있으며, 애노드링(121)의 둘레에 애노드다공디스크(122)가 마련될 수 있고, 애노드링(121)의 중심부에 토출구(112)에 연결되기 위한 애노드홀(123)이 형성될 수 있다. 애노드(120)는 금형을 사용하여 애노드링(121)을 중심에 두고 그 둘레에 금속 파우더를 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써 애노드링(121)에 애노드다공디스크(122)가 일체를 이루도록 형성될 수 있다. 여기서, 애노드링(121)은 티타늄으로 이루어질 수 있고, 애노드다공디스크(122)의 형성을 위한 금속 파우더 역시 티타늄 파우더로 이루어질 수 있다.The anode 120 may be installed side by side in a plurality in the receiving space 113, a metal anode ring 121 may be provided in the center, and the anode porous disk 122 may be disposed around the anode ring 121 It may be provided, and an anode hole 123 for connecting to the discharge port 112 may be formed in the center of the anode ring 121. The anode 120 can be formed so that the anode ring 121 is integrally formed with the anode ring 121 by compressing and sintering metal powder around the anode ring 121 in a disk shape using a mold. have. Here, the anode ring 121 may be made of titanium, and the metal powder for forming the anode porous disk 122 may also be made of titanium powder.

캐소드(130)는 수용공간(113) 내에 애노드(120) 각각에 대향되도록 설치되고, 가장자리에 금속의 캐소드링(131)이 마련되며, 캐소드링(131)의 내측에 캐소드다공디스크(132)가 마련될 수 있고, 캐소드다공디스크(132)의 중심부에 애노드홀(123)과 일치하도록 캐소드홀(133)이 형성될 수 있다. The cathode 130 is installed so as to face each of the anode 120 in the receiving space 113, a metal cathode ring 131 is provided at the edge, and a cathode porous disk 132 is disposed inside the cathode ring 131. It may be provided, and the cathode hole 133 may be formed in the center of the cathode porous disk 132 to coincide with the anode hole 123.

캐소드(130)는 금형을 사용하여 캐소드링(131)의 내측에 금속 파우더를 캐소드홀(133)을 형성하는 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써, 캐소드링(131)에 캐소드다공디스크(132)가 일체를 이루도록 형성될 수 있다. 여기서, 캐소드링(131)은 티타늄으로 이루어질 수 있고, 캐소드다공디스크(132)의 형성을 위한 금속 파우더 역시 티타늄 파우더로 이루어질 수 있다.The cathode 130 uses a mold to compress and sinter the metal powder inside the cathode ring 131 into a disk form forming the cathode hole 133, so that the cathode porous disk 132 is integrated with the cathode ring 131. It can be formed to achieve. Here, the cathode ring 131 may be made of titanium, and the metal powder for forming the cathode porous disk 132 may also be made of titanium powder.

수소이온투과막(140)은 애노드(120) 및 캐소드(130) 사이마다 개재됨으로써, 애노드(120) 및 캐소드(130)와 함께 적층되고, 애노드링(121)과 캐소드링(131)이 양측에 각각 면접촉된 상태에서 고압에 견디는 접착제를 사용하여 기밀되게 접착됨으로써 접착부위에 대한 수소가스 등의 누설을 차단하여, 수소가스의 압축 펌핑을 위한 경로를 형성하도록 하며, 수소가스의 통과를 차단하면서 양성자 도전성을 가지고, 애노드홀(123)과 캐소드홀(133)을 서로 연결시키도록 연결홀(141)이 형성될 수 있다. 수소이온투과막(140)은 예컨대, 나피온(Nafion)으로 이루어질 수 있다. 나피온은 폴리테트라플루오르에틸렌의 골격에 술폰산기를 도입한 폴리머의 듀퐁사의 상품명으로서, 열적으로 안정되고, 내약품성이 높으며, 양성자 전도성이 있으므로 고분자 전해질, 이온교환막으로서 이용되는 외에 강한 산성이 있으므로 산촉매작용이 있다.The hydrogen ion permeable membrane 140 is interposed between the anode 120 and the cathode 130, and is stacked together with the anode 120 and the cathode 130, and the anode ring 121 and the cathode ring 131 are on both sides. In the state of being in contact with each other, it is airtightly bonded using an adhesive that withstands high pressure to block the leakage of hydrogen gas to the bonding site, thereby forming a path for compression pumping of hydrogen gas, and blocking the passage of hydrogen gas. A connection hole 141 may be formed to have proton conductivity and connect the anode hole 123 and the cathode hole 133 to each other. The hydrogen ion permeable film 140 may be formed of, for example, Nafion. Nafion is DuPont's brand name for a polymer in which a sulfonic acid group is introduced into the skeleton of polytetrafluoroethylene. It is thermally stable, has high chemical resistance, and has proton conductivity, so it is used as a polymer electrolyte and an ion exchange membrane. There is this.

수소이온투과막(140)은 산화 환원 반응의 평형을 가능하도록 하는데, 수소이온투과막(140)의 일측에 위치함과 아울러 전원공급부(150)의 양극에 걸리는 애노드(120)는 아래의 화학식 1과 같은 반응을 하게 되고, 수소이온투과막(140)의 타측에 위치함과 아울러 전원공급부(150)의 음극에 걸리는 캐소드(130)는 아래의 화학식 2와 같은 반응을 하게 된다. The hydrogen ion permeable membrane 140 enables the equilibrium of the oxidation-reduction reaction, and the anode 120 is located on one side of the hydrogen ion permeable membrane 140 and is applied to the anode of the power supply unit 150 as shown in Formula 1 below. The reaction is performed as shown in Formula 2 below, and the cathode 130, which is located on the other side of the hydrogen ion permeable membrane 140 and is applied to the cathode of the power supply unit 150, reacts as shown in Formula 2 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
Figure pat00002

따라서, 주입구(111)를 통해 이격공간(114a)으로 주입되는 수소가스가 애노드다공디스크(122) 측으로 주입되어, 화학식 1에 의해 형성되는 양성자가 수소이온투과막(140)을 통과함으로써, 캐소드다공디스크(132) 측에서 화학식 2의 반응에 의해 수소가스를 형성하고, 이렇게 형성된 수소가스가 애노드홀(123), 캐소드홀(133) 및 연결홀(141)로 이루어지는 통로를 통해서 토출구(112)로 토출되는데, 애노드(120) 측에 저압을 형성하고, 캐소드(130) 측에 고압을 형성함으로써, 수소가스의 펌핑이 이루어지도록 한다.Accordingly, hydrogen gas injected into the spaced space 114a through the injection port 111 is injected into the anode porous disk 122, so that the proton formed by Chemical Formula 1 passes through the hydrogen ion permeable membrane 140, so that the cathode is porous. Hydrogen gas is formed by the reaction of Chemical Formula 2 from the side of the disk 132, and the thus formed hydrogen gas is passed to the discharge port 112 through a passage consisting of the anode hole 123, the cathode hole 133 and the connection hole 141. Although discharged, a low pressure is formed on the anode 120 side and a high pressure is formed on the cathode 130 side, so that the hydrogen gas is pumped.

이와 같은 본 발명에 따른 전기화학적 수소 압축기(100)는 수소의 펌핑을 위하여, 전기분해 수소공급장치에 의해 물의 전기분해에 의해 발생되는 수소를 공급받거나, 수소 봄베로부터 저장된 수소를 공급받을 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전기화학적 수소 압축기(100)는 펌핑된 수소를 주유기 등의 아답터나 디스펜서 등을 매개로 하여 수소를 연료로 하는 자동차, 드론 또는 지게차를 비롯하여 다양한 수소 충전 대상물에 충전되도록 할 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 전기화학적 수소 압축기(100)는 수소의 펌핑시 수소를 일시적으로 고압으로 저장하는 고압탱크에 저장되도록 함으로써, 고압탱크로부터 냉각기를 거쳐서 디스펜서나 아답터 등을 통해 수소 충전 대상물에 수소가 충전되도록 할 수도 있다.The electrochemical hydrogen compressor 100 according to the present invention may receive hydrogen generated by electrolysis of water by an electrolytic hydrogen supply device or may receive stored hydrogen from a hydrogen cylinder for pumping hydrogen. In addition, the electrochemical hydrogen compressor 100 according to the present invention may allow the pumped hydrogen to be charged to various hydrogen charging objects, including hydrogen-fueled cars, drones, or forklifts, through an adapter or dispenser such as a lubricator. have. At this time, the electrochemical hydrogen compressor 100 according to the present invention stores hydrogen in a high-pressure tank that temporarily stores hydrogen at high pressure when hydrogen is pumped, so that hydrogen is supplied to the object to be filled with hydrogen through a dispenser or adapter through a cooler from the high-pressure tank. You can also let it charge.

이와 같은 본 발명에 따른 전기화학적 수소 압축기에 따르면, 컴팩트하면서도 압축을 위한 표면적을 넓게 형성함으로써, 작은 부피에서도 많은 양의 수소 압축을 가능하도록 하여, 고효율의 수소 압축 및 펌핑을 가능하도록 하면서도 시스템의 크기를 줄이면서 설치에 소요되는 면적을 줄일 수 있다.According to the electrochemical hydrogen compressor according to the present invention, by forming a compact and wide surface area for compression, it is possible to compress a large amount of hydrogen even in a small volume, thereby enabling high-efficiency hydrogen compression and pumping, while the size of the system It is possible to reduce the area required for installation while reducing the size.

또한 본 발명에 따르면, 에너지 소모를 줄여서 경제적일 수 있으며, 내구성이 뛰어나도록 할 수 있고, 전기화학적 수소의 펌핑에 의해 수소 펌핑 동작의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.In addition, according to the present invention, it can be economical by reducing energy consumption, make it excellent in durability, and improve stability and reliability of a hydrogen pumping operation by pumping electrochemical hydrogen.

이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.As described above, the present invention has been described with reference to the accompanying drawings, but, of course, various modifications and variations can be made without departing from the technical spirit of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims and equivalents as well as the claims to be described later.

110 : 케이싱 111 : 주입구
112 : 토출구 113 : 수용공간
114 : 링본체 114a : 이격공간
115 : 차단판 115a : 끼움홈
116 : 고정볼트 117 : 오링
120 : 애노드 121 : 애노드링
122 : 애노드다공디스크 123 : 애노드홀
130 : 캐소드 131 : 캐소드링
132 : 캐소드다공디스크 133 : 캐소드홀
140 : 수소이온투과막 141 : 연결홀
150 : 전원공급부 110: casing 111: injection port
112: discharge port 113: receiving space
114: ring body 114a: separation space
115: blocking plate 115a: fitting groove
116: fixing bolt 117: O-ring
120: anode 121: anode ring
122: anode porous disk 123: anode hole
130: cathode 131: cathode ring
132: cathode porous disk 133: cathode hole
140: hydrogen ion permeable membrane 141: connection hole
150: power supply

Claims (6)

애노드와 캐소드가 수소이온투과막을 사이에 두고 다수로 적층되고, 외부로부터 공급되는 수소를 상기 애노드와 상기 캐소드에 전원을 인가하여 발생하는 산화 및 환원 반응에서 이온화된 수소가 수소이온투과막을 투과하도록 함으로써, 수소의 압축이 이루어지도록 하는, 전기화학적 수소압축기.A plurality of anodes and cathodes are stacked with a hydrogen ion permeable membrane interposed therebetween, and hydrogen supplied from the outside is allowed to pass through the hydrogen ion permeable membrane in oxidation and reduction reactions generated by applying power to the anode and the cathode. , An electrochemical hydrogen compressor that allows the compression of hydrogen to occur. 청구항 1에 있어서,
수소가스가 주입 및 토출되기 위한 주입구 및 토출구가 내측의 수용공간에 연결되도록 형성되고, 구동을 위한 전원이 인가되는 케이싱;
상기 수용공간 내에 다수로 나란하게 설치되고, 중심부에 금속의 애노드링이 마련되며, 상기 애노드링의 둘레에 애노드다공디스크가 마련되고, 상기 애노드링의 중심부에 상기 토출구에 연결되기 위한 애노드홀이 형성되는 애노드;
상기 수용공간 내에 상기 애노드 각각에 대향되도록 설치되고, 가장자리에 금속의 캐소드링이 마련되며, 상기 캐소드링의 내측에 캐소드다공디스크가 마련되고, 상기 캐소드다공디스크의 중심부에 상기 애노드홀과 일치하도록 캐소드홀이 형성되는 캐소드; 및
상기 애노드 및 상기 캐소드 사이마다 개재됨으로써, 상기 애노드 및 상기 캐소드와 함께 적층되고, 상기 애노드링과 상기 캐소드링이 양측에 각각 면접촉되어 기밀되게 접착되며, 수소가스의 통과를 차단하면서 양성자 도전성을 가지고, 상기 애노드홀과 상기 캐소드홀을 서로 연결시키도록 연결홀이 형성되는 수소이온투과막;
을 포함하는, 전기화학적 수소 압축기.The method according to claim 1,
A casing to which an injection port and a discharge port through which hydrogen gas is injected and discharged are connected to an inner receiving space, and to which power for driving is applied;
In the receiving space, a plurality of metal anode rings are provided in the center, an anode porous disk is provided around the anode ring, and an anode hole is formed in the center of the anode ring to be connected to the discharge port. The anode being;
It is installed to face each of the anodes in the receiving space, a metal cathode ring is provided at the edge, a cathode porous disk is provided inside the cathode ring, and a cathode is provided in the center of the cathode porous disk to coincide with the anode hole. A cathode in which a hole is formed; And
By being interposed between the anode and the cathode, the anode and the cathode are stacked together, the anode ring and the cathode ring are in contact with each other on both sides to be airtightly adhered, and have proton conductivity while blocking the passage of hydrogen gas. And a hydrogen ion permeable membrane having a connection hole formed to connect the anode hole and the cathode hole to each other;
Containing, electrochemical hydrogen compressor. 청구항 2에 있어서,
상기 케이싱은,
상기 주입구가 마련되는 링본체;
상기 링본체의 양측을 차단함으로써 상기 링본체의 내측에 상기 수용공간이 형성되도록 각각 설치되고, 중심부에 상기 토출구가 형성되며, 상기 애노드, 상기 캐소드 및 상기 수소이온투과막가 다수로 적층되는 적층구조물의 양측에 밀착되고, 각각이 전원공급부로부터 전원이 공급되는 차단판; 및
상기 차단판의 가장자리를 서로 연결시킴으로써 상기 차단판이 상기 링본체의 양측에 고정되도록 하는 다수의 고정볼트 및 너트;
를 포함하는, 전기화학적 수소 압축기.The method according to claim 2,
The casing,
A ring body in which the injection port is provided;
By blocking both sides of the ring body, each is installed so as to form the receiving space inside the ring body, the discharge port is formed in the center, and the anode, the cathode, and the hydrogen ion permeable membrane are stacked in plurality A blocking plate in close contact with both sides, each of which is supplied with power from a power supply unit; And
A plurality of fixing bolts and nuts connecting edges of the blocking plate to each other so that the blocking plate is fixed to both sides of the ring body;
Containing, electrochemical hydrogen compressor. 청구항 3에 있어서,
상기 링본체는,
상기 적층구조물의 가장자리 둘레로부터 내측면이 이격됨으로써 이격공간을 형성하고, 상기 이격공간에 의해 상기 주입구를 통해 주입되는 수소가스가 상기 적층구조물의 둘레로 분산되어 상기 애노드 측으로 공급되도록 하는, 전기화학적 수소 압축기.The method of claim 3,
The ring body,
Electrochemical hydrogen, wherein the inner surface is spaced apart from the edge of the laminated structure to form a spaced space, and hydrogen gas injected through the injection port by the spaced space is distributed around the laminated structure and supplied to the anode side. compressor. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 애노드는,
상기 애노드링을 중심에 두고 그 둘레에 금속 파우더를 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써 상기 애노드링에 상기 애노드다공디스크가 일체를 이루도록 형성되는, 전기화학적 수소 압축기.The method according to any one of claims 2 to 4,
The anode,
The electrochemical hydrogen compressor is formed so that the anode porous disk is integrally formed with the anode ring by compressing and sintering metal powder around the anode ring in a disk shape with the anode ring at the center. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐소드는,
상기 캐소드링의 내측에 금속 파우더를 상기 캐소드홀을 형성하는 디스크 형태로 압축 및 소결시킴으로써, 상기 캐소드링에 상기 캐소드다공디스크가 일체를 이루도록 형성되는, 전기화학적 수소 압축기.The method according to any one of claims 2 to 4,
The cathode,
By compressing and sintering the metal powder inside the cathode ring in the form of a disk forming the cathode hole, the electrochemical hydrogen compressor is formed so that the cathode porous disk is integrally formed with the cathode ring.
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