WO2024111977A1 - 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택 - Google Patents

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WO2024111977A1
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anode
cathode
separators
monopolar
water electrolysis
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PCT/KR2023/018248
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이덕원
박환진
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(주)넥슨스타
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Definitions

  • a power vertically oriented monopolar water electrolysis stack is disclosed. More specifically, a power vertically oriented monopolar water electrolysis stack with a novel structure is disclosed.
  • gray hydrogen is far from reducing carbon compounds to solve recently emerging environmental problems, so the most widely known method is to obtain hydrogen using water electrolysis as a method that does not emit carbon dioxide or pollutants. .
  • various water electrolysis methods are being developed depending on the operating environment and technology.
  • water electrolysis The purpose of water electrolysis is to obtain hydrogen and oxygen by inputting water and electricity.
  • the emissions produced at this time are hydrogen and oxygen, of which hydrogen is high purity (99% ⁇ ). Therefore, water electrolysis can be said to be the optimal method to reduce the generation of carbon compounds required by the current hydrogen economy.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the optimal operating temperature is higher than room temperature. Because it is relatively simple, various technologies are needed, such as technology to properly maintain it, technology to achieve optimal efficiency by appropriately arranging constituent members, and electrical control and water supply to continuously maintain maximum efficiency during electrolysis.
  • PEM is often sensitive to operating temperature, and heat management is very important as heat due to electrolysis is generated when the stack itself is operated. In the case of PEM, if the temperature exceeds 120°C, major parts are damaged and operation becomes impossible.
  • the bipolar type water electrolysis stack which is an existing series connection method, has the advantage of achieving maximum performance in that unit cells are connected in series.
  • the target performance is not achieved depending on the stacking structure, which unit
  • the disadvantage is that it is not easy to find whether a problem has occurred in the cell and it is not easy to deal with it accordingly. Additionally, there is a risk that current leakage and impurities may occur in a stack with performance problems.
  • One embodiment of the present invention provides a power vertically oriented monopolar water electrolysis stack with a novel structure.
  • One aspect of the present invention is,
  • One or more cathode separator plates arranged to face the one or more anode separator plates
  • the one or more anode separators and the one or more cathode separators includes unit cells arranged to face each other between neighboring anode separators and cathode separators,
  • the at least one anode separator plate and the at least one cathode separator plate provide a power vertically oriented monopolar water electrolysis stack in which the at least one anode separator plate is alternately arranged one by one.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack includes a plurality of anode separators, and after the stack is assembled, the heads of the plurality of anode separators may be in contact with each other.
  • the plurality of anode separators include one or more first anode separators and one second anode separator, the first anode separator includes a T-shaped head, and the second anode separator has a protrusion on one side. It may include a head having.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack may further include an anode current collector disposed to cover all heads of the plurality of anode separators.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack includes a plurality of cathode separator plates, and after the stack is assembled, the plurality of cathode separator plates may be configured so that the heads of the plurality of cathode separator plates contact each other.
  • the plurality of cathode separators include one or more first cathode separators and one second cathode separator, the cathode separator includes a T-shaped head, and the second cathode separator includes a head having a protrusion on one side. may include.
  • the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack may further include a cathode current collector disposed to cover all heads of the plurality of cathode separator plates.
  • the unit cell may include a separator, an anode catalyst layer and an anode sequentially disposed on one side centered on the separator, and a cathode catalyst layer and a cathode sequentially disposed on the other side centered on the separator.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack may be configured such that, after stack assembly, the anode is in electrical contact with a corresponding anode separator and the cathode is in electrical contact with a corresponding cathode separator.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack may be configured so that current is simultaneously applied to the heads of the one or more anode separators and flows in one direction simultaneously to the heads of the one or more cathode separators.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack is configured so that the voltage between the head of the one or more anode separators and the head of the one or more cathode separators, or the voltage between the anode current collector and the cathode current collector has a constant reference value. It can be configured.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack is between the head of the one or more anode separators and the tail of the one or more cathode separators, and between the head of the one or more cathode separators and the tail of the one or more anode separators. It may be configured to form a heat exchange passage.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack may further include a pair of end plates disposed on one side and one on the other side across the entire separator plate including the one or more anode separators and the one or more cathode separators. there is.
  • the power vertically aligned monopolar electrolytic stack may be configured so that no current is applied to the pair of end plates.
  • the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack may further include one or more coupling members configured to couple the pair of end plates.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack may include a water supply port, an oxygen and unreacted product outlet, and a hydrogen outlet installed on one of the pair of end plates.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack includes a first temperature sensor installed on each anode separator and passing through a portion between the head and tail of the one or more anode separators, and a first temperature sensor installed between the head and tail of the one or more cathode separators. It may further include a second temperature sensor installed at each cathode separator penetrating the portion, and the first temperature sensor and the second temperature sensor may be installed to be staggered.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack has a first data logger terminal installed for each anode separator through the head of the one or more anode separators, and a first data logger terminal installed for each cathode separator through the head of the one or more cathode separators. It may further include 2 data logger terminals.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing the configuration of a power vertically oriented monopolar water electrolytic stack according to an embodiment of the present invention before assembly, with the current collector omitted.
  • Figure 2 is a diagram schematically showing the configuration of the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention before assembly, with unit cells omitted.
  • Figure 3 is a diagram schematically showing the configuration of a unit cell provided in a power vertically aligned monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing the current flow direction of a power vertically oriented monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a diagram showing the voltage applied between one end and the other end of a power vertically oriented monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram to explain that the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention has the structural advantage of efficiently discharging heat generated during operation.
  • Figure 7 is a diagram schematically showing the configuration of the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention after being assembled. , This is a drawing to explain that it has the structural advantage of being able to collect information such as current, voltage, resistance, and temperature in real time during operation.
  • Figure 8 is a diagram for explaining the water supply, oxygen discharge, unreacted material discharge, and hydrogen discharge paths of the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a diagram showing a water supply port, oxygen and unreacted product outlets, and hydrogen outlet installed on one end plate of a power vertically oriented monopolar water electrolysis stack according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 1 is a diagram schematically showing the configuration of the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack 100 according to an embodiment of the present invention before assembly, with the current collector omitted.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 includes one or more anode separators (121-1, 121-2) and one or more cathode separators (122-1, 122-2). and one or more unit cells 110.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 may include a plurality of anode separators 121-1 and 121-2.
  • the plurality of anode separator plates 121-1 and 121-2 may be configured so that the heads 121-1h and 121-2h contact each other.
  • the plurality of anode separator plates 121-1 and 121-2 may include one or more first anode separator plates 121-1 and one second anode separator plate 121-2.
  • the first anode separator 121-1 may include a T-shaped head 121-1h. Specifically, the overall shape of the narrow side among the sides of the first anode separator 121-1 may be T-shaped. However, the present invention is not limited to this, and the first anode separator 121-1 may include a head 121-1h of various other shapes.
  • the second anode separator 121-2 may include a head 121-2h having a protrusion on one side.
  • the overall shape of the narrow side of the second anode separator 121-2 may be 180° flipped L-shaped or other various shapes. More specifically, the second anode separator 121-2 is a straight shape in which the overall shape of the narrow side of the side is deformed, and one end of the second anode separator 121-2 is shaped like a T or other shape of the adjacent first anode separator 121-1. It may be bent at 90° toward the head (121-1h) of various shapes.
  • One or more cathode separator plates (122-1, 122-2) may be arranged to face one or more anode separator plates (121-1, 121-2).
  • the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack 100 may include a plurality of cathode separators 122-1 and 122-2.
  • the plurality of cathode separation plates 122-1 and 122-2 may be configured so that the heads 122-1h and 122-2h contact each other.
  • the plurality of cathode separator plates 122-1 and 122-2 may include one or more first cathode separator plates 122-1 and one second cathode separator plate 122-2.
  • the first cathode separator 122-1 may include a T-shaped head 122-1h. Specifically, the overall shape of the narrow side among the sides of the first cathode separator 122-1 may be T-shaped. However, the present invention is not limited to this, and the first cathode separator 122-1 may include a head 122-1h of various other shapes.
  • the second cathode separator 122-2 may include a head 122-2h having a protrusion on one side.
  • the overall shape of the narrow side of the second cathode separator plate 122-2 may be 180° flipped L-shaped or other various shapes.
  • the second cathode separator 122-2 has a straight shape in which the overall shape of the narrow side of its sides is deformed, and one end of the second cathode separator 122-2 is shaped like a T or other shape of the adjacent first cathode separator 122-1. It may be bent at 90° toward the head (122-1h) of various shapes.
  • the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack 100 may further include a pair of end plates 141 and 142.
  • the pair of end plates 141 and 142 will be described later.
  • Figure 2 is a diagram schematically showing the configuration of the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack 100 according to an embodiment of the present invention before assembly, with the unit cell 110 omitted.
  • the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack 100 includes all of the heads 121-1h and 121-2h of the plurality of anode separators 121-1 and 121-2. It may further include an anode current collector arranged to cover all of the heads 122-1h and 122-2h of the plurality of cathode separators 122-1 and 122-2. .
  • Figure 3 is a diagram schematically showing the configuration of the unit cell 110 provided in the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the unit cell 110 may include a separation membrane 111, an anode catalyst layer 112a, an anode 113a, a cathode catalyst layer 112c, and a cathode 113c.
  • the separator 111 may be placed at the center of the unit cell 110.
  • the anode catalyst layer 112a may be disposed on one side of the separator 111.
  • a decomposition reaction occurs in which water is decomposed into oxygen gas (O 2 ), electrons (e - ), and hydrogen ions (H + ) (protons) as shown in Reaction Formula 1 below.
  • oxygen gas (O 2 ) flows out of the unit cell 110 by diffusion, and hydrogen ions (H + ) pass through the separator 111 by an electric field and move to the cathode catalyst layer 112c, causing a reaction.
  • the anode 113a may be disposed on one side of the anode catalyst layer 112a.
  • the cathode catalyst layer 112c may be disposed on the other side of the separator 111.
  • the cathode 113c may be disposed on the other side of the cathode catalyst layer 112c.
  • the anode 113a is in electrical contact with the corresponding anode separator plates 121-1 and 121-2
  • the cathode 113c is in electrical contact with the corresponding anode separator plate 121-1 and 121-2. It may be configured to make electrical contact with the cathode separator plates 122-1 and 122-2.
  • Figure 4 is a cross-sectional view showing the current flow direction (CFD) of the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 according to an embodiment of the present invention.
  • CFD current flow direction
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 current is simultaneously applied to the heads 121-1h and 121-2h of one or more anode separators 121-1 and 121-2. It may be configured to flow in one direction simultaneously to the heads 122-1h and 122-2h of one or more cathode separator plates 122-1 and 122-2.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 allows current to flow through the anode current collector (not shown) to the heads 121-1h and 121-2h of one or more anode separators 121-1 and 121-2.
  • the heads (122-1h, 122-2h) of one or more cathode separator plates (122-1, 122-2) may be configured to simultaneously pass through the heads (122-1h, 122-2h) of one or more cathode separator plates (122-1, 122-2) and then flow in one direction to the cathode current collector (not shown). there is. Accordingly, the heads (121-1h, 121-2h) of the one or more anode separators (121-1, 121-2) all exhibit (+) polarity, and the heads (121-1h, 121-2h) of the one or more cathode separators (122-1, 122-2) all exhibit (+) polarity. The heads (122-1h, 122-2h) all show (-) polarity.
  • the heads 121-1h, 121-2h of one or more anode separators 121-1, 121-2 and the heads 122-1h of one or more cathode separators 122-1, 122-2. 122-2h), current distribution can be smoothly achieved.
  • Figure 5 is a diagram showing the voltage applied between one end and the other end of the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 includes heads (121-1h, 121-2h) of one or more anode separators (121-1, 121-2) and one or more cathode separators.
  • the voltage between the heads (122-1h, 122-2h) of (122-1, 122-2), and/or the voltage between the anode current collector (not shown) and the cathode current collector (not shown) is a constant reference value (e.g. For example, it may be configured to have 2V). Accordingly, the voltage of the power vertically aligned monopolar electrolytic stack 100 does not increase even if the number of stacks (i.e., unit cells 110) increases. That is, by minimizing the voltage difference between stacks, the decrease in current efficiency due to the electrical conductivity of the electrolyte can be reduced.
  • Figure 6 is a diagram to explain that the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 according to an embodiment of the present invention has a structural advantage of efficiently discharging heat (GH) generated during operation. .
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 includes heads (121-1h, 121-2h) of one or more anode separators (121-1, 121-2) and one or more cathode separators. Between the tails of (122-1, 122-2), and the heads (122-1h, 122-2h) of one or more cathode separators (122-1, 122-2) and one or more anode separators (121) -1, 121-2) may be configured to form a heat exchange passage (HEXP) between the tails.
  • “tail” means the end opposite to the “head”.
  • the refrigerant e.g., coolant
  • HXP heat exchange passage
  • Figure 7 is a diagram schematically showing the configuration of the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 according to an embodiment of the present invention after being assembled. This diagram is intended to explain that the stack has the structural advantage of being able to collect information such as current, voltage, resistance, and temperature in real time during operation.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 may further include a pair of end plates 141 and 142 .
  • a pair of end plates (141, 142) is between the entire separator plate including one or more anode separator plates (121-1, 121-2) and one or more cathode separator plates (122-1, 122-2). It can be placed one on one side and one on the other side.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 may be configured so that no current is applied to the pair of end plates 141 and 142.
  • the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack 100 may further include one or more coupling members 150 configured to couple a pair of end plates 141 and 142.
  • the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack 100 may further include a first temperature sensor TS1 and a second temperature sensor TS2.
  • the first temperature sensor TS1 penetrates the portion between the head (121-1h, 121-2h) and the tail of one or more anode separator plates (121-1, 121-2) to detect the anode separator plates (121-1, 121). -Can be installed every 2). Specifically, the first temperature sensor TS1 vertically extends the narrow side among the sides between the head (121-1h, 121-2h) and the tail of one or more anode separators (121-1, 121-2). It can be installed in a row for each anode separator (121-1, 121-2) along the anode separator plates (121-1, 121-2) installed alternately with the cathode separator plates (122-1, 122-2). there is.
  • the second temperature sensor TS2 penetrates the portion between the head (122-1h, 122-2h) and the tail of one or more cathode separator plates (122-1, 122-2) to detect the cathode separator plates (122-1, 122). -Can be installed every 2). Specifically, the second temperature sensor TS2 vertically extends the narrow side among the sides between the head (122-1h, 122-2h) and the tail of the one or more cathode separator plates (122-1, 122-2). It can be installed in a row for each cathode separator (122-1, 122-2) along the anode separator plates (121-1, 121-2) and the cathode separator plates (122-1, 122-2) installed alternately. there is. Accordingly, the power vertically aligned monopolar water electrolysis stack 100 can collect the temperature of each unit cell 110 in real time through the first temperature sensor TS1 and the second temperature sensor TS2.
  • first temperature sensor TS1 and the second temperature sensor TS2 may be installed staggered from each other. Specifically, a first virtual line connecting the first temperature sensors TS1 installed in a row for each anode separator plate (121-1, 121-2) and a first virtual line installed in a row for each cathode separator plate (122-1, 122-2)
  • the second virtual lines connecting the second temperature sensors TS2 may not coincide with or overlap each other and may be spaced apart from each other by a predetermined distance. If the first virtual line and the second virtual line coincide or overlap with each other, a measurement error may occur when measuring the temperature of each unit cell 110.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 may further include a first data logger terminal (DLT1: data logger terminal 1) and a second data logger terminal (DLT2). Therefore, the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 records information such as current, voltage, and resistance of each unit cell 110 through the first data logger terminal (DLT1) and the second data logger terminal (DLT2). can be collected in real time.
  • DLT1 data logger terminal 1
  • DLT2 second data logger terminal
  • the first data logger terminal (DLT1) penetrates the head (121-1h, 121-2h) of one or more anode separator plates (121-1, 121-2) for each anode separator (121-1, 121-2). Can be installed. Specifically, the first data logger terminal (DLT1) vertically penetrates the shorter side among the sides of the heads (121-1h, 121-2h) of one or more anode separators (121-1, 121-2). It may be installed in a row for each anode separator (121-1, 121-2) along the cathode separator plates (122-1, 122-2) and the anode separator plates (121-1, 121-2) installed alternately.
  • the second data logger terminal (DLT2) penetrates the head (122-1h, 122-2h) of one or more cathode separator plates (122-1, 122-2) for each cathode separator (122-1, 122-2). Can be installed. Specifically, the second data logger terminal (DLT2) vertically penetrates the shorter side of the sides of the heads (122-1h, 122-2h) of one or more cathode separators (122-1, 122-2). It may be installed in a row for each cathode separator (122-1, 122-2) along the anode separator plates (121-1, 121-2) and the cathode separator plates (122-1, 122-2) installed alternately.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating the water supply, oxygen discharge, unreacted material discharge, and hydrogen discharge paths of the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the A diagram showing the water supply port (IN), oxygen and unreacted material outlet (EX1), and hydrogen outlet (EX2) installed on one end plate (142) of the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack (100) according to one embodiment. am.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolysis stack 100 has a water supply port (IN), an oxygen and unreacted product outlet (EX1), and a hydrogen outlet (EX2) installed on the end plate 142.
  • unreacted water means water that has not reacted.
  • a water supply port (IN), an oxygen and unreacted material outlet (EX1), and a hydrogen outlet (EX2) may be installed in the end plate 141 instead of the end plate 142.
  • the power vertically oriented monopolar water electrolyser stack 100 described above can be applied to a polymer electrolyte membrane water electrolyser (PEMEL), an alkaline water electrolyser (AKEL), an anion exchange membrane electrolyser (AEMEL), or a solid oxide water electrolyser (SOEL). You can.
  • PEMEL polymer electrolyte membrane water electrolyser
  • AKEL alkaline water electrolyser
  • AEMEL anion exchange membrane electrolyser
  • SOEL solid oxide water electrolyser
  • 112a anode catalyst layer
  • 112c cathode catalyst layer
  • first anode separator plate 121-1h first anode separator head
  • first cathode separator plate 122-1h first cathode separator head
  • first end plate 142 second end plate
  • EX1 Oxygen and unreacted material outlet
  • EX2 Hydrogen outlet
  • DLT1, DLT2 Data logger terminal

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  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 개시된다. 개시된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 하나 이상의 애노드 분리판, 상기 하나 이상의 애노드 분리판과 마주 보도록 배치된 하나 이상의 캐소드 분리판, 및 상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판 중 서로 이웃하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이마다 이들과 마주 보도록 배치된 단위셀을 포함하고, 상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판은 서로 하나씩 교대로 배치된다.

Description

전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택
전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 개시된다. 보다 상세하게는, 신규한 구조의 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 개시된다.
현대 수소 사회를 구현하기 위해 사용되고 있는 대부분의 수소는 석유화학 공정의 부산물로 나오는 부생수소　및 천연가스를 개질해 만드는 추출수소인 그레이 수소이다.
그러나, 그레이 수소는 최근 불거지고 있는 환경문제를 해결하기 위한 탄소화합물 저감과는 거리가 있어 순수하게 이산화탄소 혹은 오염물질을 배출하지 않는 방법으로서 수전해를 활용하여 수소를 얻는 방법이 가장 널리 알려진 방법이다. 이를 위해 운영 환경과 기술에 따라 다양한 수전해 방법이 개발되고 있다.
수전해는 물과 전기를 투입하여 수소와 산소를 얻어내는 것을 목적으로 하며, 이때 생성되는 배출물은 수소와 산소이며, 이들 중 수소는 고순도(99%↑)의 수소이다. 따라서, 수전해는 현재 수소경제에서 요구하는 탄소화합물 발생 저감에 부합하는 최적의 방법이라고 할 수 있다.
PEM(polymer electrolyte membrane) 타입 수전해는 PEM을 구성하는 구성 부재들, 운전 온도, 전압 및 반응원료인 물의 순도 등 고려해야 하는 부분이 많으며, 비교적 낮은 온도에서 작동하지만 운전 최적온도가 상온에 비해서는 높은 편이기 때문에 이를 적절히 유지하는 기술, 구성 부재들을 적절히 배치하여 최적의 효율을 이끌어내는 기술, 전기 분해시 최대 효율을 지속적으로 유지할 수 있는 전기 컨트롤 및 물의 공급 등 다양한 기술이 필요하다.
현재 많이 연구 및 적용되고 있는 PEM을 활용한 수전해의 경우 넓은 면적의 단위셀들을 직렬로 연결하여 최대한의 효율을 이끌어내는 방식을 사용하고 있다. 하지만, 이로 인하여 스택의 성능이 저하되더라도 어느 부분에서 문제가 발생 하였는지 알기 어려운 상황이며, 스택 효율의 극대화 및 가스의 유출을 막기 위해 스택 조립에 있어서 상당한 부하가 걸리는 구조를 고안 및 적용하고 있다.
특히, PEM의 경우 운전 온도에 민감하게 반응하는 경우가 많은데, 스택 자체를 운전할 때 전기분해로 인한 열이 발생하여 열관리가 매우 중요하다. PEM의 경우 온도가 120℃를 넘을 경우 주요 부품에 무리가 가서 운전을 할 수 없는 상황이 발생한다.
또한, 기존의 직렬 연결 방식인 바이폴라 형식의 수전해 스택은 단위셀을 직렬로 연결한다는 점에서 최대 성능을 이끌어 낼 수 있는 장점을 가지고 있지만, 적층하는 구조에 따라 목표 성능이 나오지 않을 경우에는 어느 단위셀에 문제가 발생하였는지 찾기가 쉽지 않고 이에 따른 처리가 쉽지 않다는 단점이 있다. 또한, 성능에 문제가 생긴 스택에서 전류의 유출 및 불순물이 발생할 수 있는 위험성도 존재한다.
본 발명의 일 구현예는 신규한 구조의 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택을 제공한다.
본 발명의 일 측면은,
하나 이상의 애노드 분리판;
상기 하나 이상의 애노드 분리판과 마주 보도록 배치된 하나 이상의 캐소드 분리판; 및
상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판 중 서로 이웃하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이마다 이들과 마주 보도록 배치된 단위셀을 포함하고,
상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판은 서로 하나씩 교대로 배치된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택을 제공한다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 복수개의 애노드 분리판을 포함하고, 스택 조립후, 상기 복수개의 애노드 분리판은 헤드들이 서로 접촉하도록 구성될 수 있다.
상기 복수개의 애노드 분리판은 하나 이상의 제1 애노드 분리판 및 하나의 제2 애노드 분리판을 포함하고, 상기 제1 애노드 분리판은 T자형 헤드를 포함하고, 상기 제2 애노드 분리판은 일측 돌출부를 갖는 헤드를 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 복수개의 캐소드 분리판을 포함하고, 스택 조립후, 상기 복수개의 캐소드 분리판은 헤드들이 서로 접촉하도록 구성될 수 있다.
상기 복수개의 캐소드 분리판은 하나 이상의 제1 캐소드 분리판 및 하나의 제2 캐소드 분리판을 포함하고, 상기 캐소드 분리판은 T자형 헤드를 포함하고, 상기 제2 캐소드 분리판은 일측 돌출부를 갖는 헤드를 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함할 수 있다.
상기 단위셀은 분리막, 상기 분리막을 중심으로 일측에 차례로 배치된 애노드 촉매층과 애노드, 및 상기 분리막을 중심으로 타측에 차례로 배치된 캐소드 촉매층과 캐소드를 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은, 스택 조립후, 상기 애노드는 대응 애노드 분리판과 전기적으로 접촉하고, 상기 캐소드는 대응 캐소드 분리판과 전기적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 전류가 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드에 동시에 인가되어 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드까지 동시에 일방향으로 흐르도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 전류가 애노드 집전체를 통해 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드에 동시에 인가되어 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드를 동시에 통과한 후 캐소드 집전체까지 일방향으로 흐르도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드와 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드 사이의 전압, 또는 상기 애노드 집전체와 상기 캐소드 집전체 사이의 전압이 일정한 기준값을 갖도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드와 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 테일 사이, 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드와 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 테일 사이에는 열교환 통로가 형성되도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판을 포함하는 분리판 전체를 사이에 두고 일측 및 타측에 하나씩 배치된 한쌍의 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 한쌍의 엔드 플레이트로는 전류가 인가되지 않도록 구성될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 한쌍의 엔드 플레이트를 결합하도록 구성된 하나 이상의 결합부재를 더 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 한쌍의 엔드 플레이트 중 어느 하나에 설치된 물 공급구, 산소와 미반응물 배출구 및 수소 배출구를 포함할 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드와 테일 사이의 부분을 관통하여 애노드 분리판마다 설치된 제1 온도 센서, 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드와 테일 사이의 부분을 관통하여 캐소드 분리판마다 설치된 제2 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서는 서로 엇갈리게 설치될 수 있다.
상기 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드를 관통하여 애노드 분리판마다 설치된 제1 데이터 로거 단자 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드를 관통하여 캐소드 분리판마다 설치된 제2 데이터 로거 단자를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택은 하기와 같은 이점을 갖는다:
(1) 스택의 개수가 증가해도 전압이 증가하지 않는다.
(2) 각각의 분리판에 연결된 데이터 라인을 통해 전류, 전압, 저항 및 온도 등의 정보를 실시간으로 수집할 수 있다.
(3) 특정 부분에 문제가 발생할 경우 즉각적으로 확인이 가능하며, 해당 부분을 원활하게 교체할 수 있다.
(4) 스택 간의 전압차를 최소화하여 전류 효율의 감소를 줄일 수 있다.
(5) 분리판의 헤드 부분을 통해 전류 분배가 원활하게 이루어질 수 있다.
(6) 운전 중 발생하는 열을 외부로 배출시키기에 유리하고, 배출된 열을 재활용하기에도 유리하다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 조립되기 전의 구성으로서 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 조립되기 전의 구성으로서 단위셀이 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택에 구비되는 단위셀의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택의 전류 흐름 방향을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택의 일단부와 타단부 사이에 걸리는 전압을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이, 운전 중 발생하는 열을 효율적으로 배출할 수 있는 구조적 장점을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이 조립된 후의 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이, 운전 중 전류, 전압, 저항 및 온도 등의 정보를 실시간으로 수집할 수 있는 구조적 장점을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택의 물 공급, 산소 배출, 미반응물 배출 및 수소 배출 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택 중 일측 엔드플레이트에 설치된 물 공급구, 산소와 미반응물 배출구 및 수소 배출구를 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)이 조립되기 전의 구성으로서 집전체가 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2), 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2) 및 하나 이상의 단위셀(110)을 포함한다.
예를 들어, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 복수개의 애노드 분리판(121-1, 121-2)을 포함할 수 있다. 이 경우, 스택 조립후, 복수개의 애노드 분리판(121-1, 121-2)은 헤드들(121-1h, 121-2h)이 서로 접촉하도록 구성될 수 있다.
복수개의 애노드 분리판(121-1, 121-2)은 하나 이상의 제1 애노드 분리판(121-1) 및 하나의 제2 애노드 분리판(121-2)을 포함할 수 있다.
제1 애노드 분리판(121-1)은 T자형 헤드(121-1h)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 애노드 분리판(121-1)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 T자형일 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 애노드 분리판(121-1)은 다른 다양한 형상의 헤드(121-1h)를 포함할 수 있다.
제2 애노드 분리판(121-2)은 일측 돌출부를 갖는 헤드(121-2h)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 애노드 분리판(121-2)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 180° 뒤집힌 ㄱ자형 또는 다른 다양한 형상일 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 애노드 분리판(121-2)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 변형된 일자형으로서 그 일단부가 인접 제1 애노드 분리판(121-1)의 T자형 또는 다른 다양한 형상의 헤드(121-1h)쪽으로 90°구부러진 형태일 수 있다.
하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)은 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)과 마주 보도록 배치될 수 있다.
예를 들어, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 복수개의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)을 포함할 수 있다. 이 경우, 스택 조립후, 복수개의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)은 헤드들(122-1h, 122-2h)이 서로 접촉하도록 구성될 수 있다.
복수개의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)은 하나 이상의 제1 캐소드 분리판(122-1) 및 하나의 제2 캐소드 분리판(122-2)을 포함할 수 있다.
제1 캐소드 분리판(122-1)은 T자형 헤드(122-1h)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 캐소드 분리판(122-1)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 T자형일 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 캐소드 분리판(122-1)은 다른 다양한 형상의 헤드(122-1h)를 포함할 수 있다.
제2 캐소드 분리판(122-2)은 일측 돌출부를 갖는 헤드(122-2h)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제2 캐소드 분리판(122-2)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 180° 뒤집힌 ㄴ자형 또는 다른 다양한 형상일 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 캐소드 분리판(122-2)은 그 측면들 중 폭이 좁은 측면의 전체 형상이 변형된 일자형으로서 그 일단부가 인접 제1 캐소드 분리판(122-1)의 T자형 또는 다른 다양한 형상의 헤드(122-1h)쪽으로 90°구부러진 형태일 수 있다.
또한, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)를 더 포함할 수 있다. 한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)에 대해서는 후술하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)이 조립되기 전의 구성으로서 단위셀(110)이 생략된 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
비록 도 2에는 도시되어 있지 않지만, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 복수개의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드들(121-1h, 121-2h)을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체, 및 복수개의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드들(122-1h, 122-2h)을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)에 구비되는 단위셀(110)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 단위셀(110)은 분리막(111), 애노드 촉매층(112a), 애노드(113a), 캐소드 촉매층(112c) 및 캐소드(113c)를 포함할 수 있다.
분리막(111)은 단위셀(110)의 중심에 배치될 수 있다.
애노드 촉매층(112a)은 분리막(111)의 일측에 배치될 수 있다.
애노드 촉매층(112a)에서는 물이 하기 반응식 1과 같이 산소가스(O2), 전자(e-) 및 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해되는 분해반응이 일어난다. 이때, 산소가스(O2)는 확산에 의해 단위셀(110)의 외부로 유출되며, 수소이온(H+)은 전기장에 의해 분리막(111)을 통과하여 캐소드 촉매층(112c)으로 이동하며, 반응에 의하여 생성된 전자(e-)는 외부회로(미도시)를 거쳐 캐소드 촉매층(112c)으로 이동한다.
[반응식 1]
2H2O → 4H+ + 4e- + O2
애노드(113a)는 애노드 촉매층(112a)의 일측에 배치될 수 있다.
캐소드 촉매층(112c)은 분리막(111)의 타측에 배치될 수 있다.
캐소드 촉매층(112c)에서는 애노드 촉매층(112a)으로부터 캐소드 촉매층(112c)으로 이동한 수소이온(H+)과 전자(e-)가 반응하여 하기 반응식 2와 같이 수소가스(H2)가 생성된다.
[반응식 2]
4H+ + 4e- → 2H2
캐소드(113c)는 캐소드 촉매층(112c)의 타측에 배치될 수 있다.
단위셀(110)에서 일어나는 전체 반응(총괄 반응)은 하기 반응식 3과 같다.
[반응식 3]
2H2O → O2(애노드 촉매층(112a)) + 2H2(캐소드 촉매층(112c))
또한, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은, 스택 조립후, 애노드(113a)는 대응 애노드 분리판(121-1, 121-2)과 전기적으로 접촉하고, 캐소드(113c)는 대응 캐소드 분리판(122-1, 122-2)과 전기적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)의 전류 흐름 방향(CFD)을 나타낸 단면도이다.
도 4를 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 전류가 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)에 동시에 인가되어 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)까지 동시에 일방향으로 흐르도록 구성될 수 있다. 또한, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 전류가 애노드 집전체(미도시)를 통해 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)에 동시에 인가되어 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)를 동시에 통과한 후 캐소드 집전체(미도시)까지 일방향으로 흐르도록 구성될 수도 있다. 따라서, 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)는 모두 (+) 극성을 나타내고, 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)는 모두 (-) 극성을 나타내게 된다. 결과적으로, 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h) 및 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)를 통해 전류 분배가 원활하게 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)의 일단부와 타단부 사이에 걸리는 전압을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)와 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h) 사이의 전압, 및/또는 애노드 집전체(미도시)와 캐소드 집전체(미도시) 사이의 전압이 일정한 기준값(예를 들어, 2V)을 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 스택(즉, 단위셀(110))의 개수가 증가하더라도 전압이 증가하지 않는다. 즉, 스택 간의 전압차를 최소화하여 전해질의 전기전도도에 의한 전류 효율의 감소를 줄일 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)이, 운전 중 발생하는 열(GH)을 효율적으로 배출할 수 있는 구조적 장점을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)와 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 테일(tail) 사이, 및 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)와 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 테일 사이에 열교환 통로(HEXP)가 형성되도록 구성될 수 있다. 여기서, “테일”이란 “헤드”의 정반대쪽 단부를 의미한다. 열교환 통로(HEXP)를 통해 냉매(예를 들어, 냉각수)를 순환시킴으로써 운전 중 발생하는 열(GH)을 외부로 배출시키기에 유리하고, 배출된 열을 재활용하기에도 유리하며, 수전해 시스템의 운전지역이 고온환경일 경우, 스택에서 발생하는 열의 배출은 필수이므로 이에 대한 장점을 갖는다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)이 조립된 후의 구성을 개략적으로 나타낸 도면으로서, 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택이, 운전 중 전류, 전압, 저항 및 온도 등의 정보를 실시간으로 수집할 수 있는 구조적 장점을 가짐을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2와 함께 도 7을 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)를 더 포함할 수 있다.
한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)는 하나 이상의 애노드 분리판 애노드 분리판(121-1, 121-2) 및 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)을 포함하는 분리판 전체를 사이에 두고 일측 및 타측에 하나씩 배치될 수 있다.
또한, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)로는 전류가 인가되지 않도록 구성될 수 있다.
또한 도 7을 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 한쌍의 엔드 플레이트(141, 142)를 결합하도록 구성된 하나 이상의 결합부재(150)를 더 포함할 수 있다.
또한 도 7을 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 제1 온도 센서(TS1) 및 제2 온도 센서(TS2)를 더 포함할 수 있다.
제1 온도 센서(TS1)는 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)와 테일 사이의 부분을 관통하여 애노드 분리판(121-1, 121-2)마다 설치될 수 있다. 구체적으로, 제1 온도 센서(TS1)는 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)와 테일 사이의 측면들 중 폭이 좁은 측면을 수직으로 관통하여 캐소드 분리판(122-1, 122-2)과 교대로 설치된 애노드 분리판(121-1, 121-2)을 따라 애노드 분리판(121-1, 121-2)마다 일렬로 설치될 수 있다.
제2 온도 센서(TS2)는 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)와 테일 사이의 부분을 관통하여 캐소드 분리판(122-1, 122-2)마다 설치될 수 있다. 구체적으로, 제2 온도 센서(TS2)는 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)와 테일 사이의 측면들 중 폭이 좁은 측면을 수직으로 관통하여 애노드 분리판(121-1, 121-2)과 교대로 설치된 캐소드 분리판(122-1, 122-2)을 따라 캐소드 분리판(122-1, 122-2)마다 일렬로 설치될 수 있다. 따라서, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 제1 온도 센서(TS1)와 제2 온도 센서(TS2)를 통해 각각의 단위셀(110)의 온도를 실시간으로 수집할 수 있다.
또한, 제1 온도 센서(TS1)와 제2 온도 센서(TS2)는 서로 엇갈리게 설치될 수 있다. 구체적으로, 애노드 분리판(121-1, 121-2)마다 일렬로 설치된 제1 온도 센서들(TS1)을 연결한 제1 가상선과 캐소드 분리판(122-1, 122-2)마다 일렬로 설치된 제2 온도 센서들(TS2)을 연결한 제2 가상선은 서로 일치하거나 중첩되지 않고 서로 미리 결정된 간격만큼 이격될 수 있다. 만일, 상기 제1 가상선과 상기 제2 가상선이 서로 일치하거나 중첩하게 되면 각각의 단위셀(110)의 온도 측정시 측정 오류가 발생할 수 있다.
또한 도 7을 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 제1 데이터 로거 단자(DLT1: data logger terminal 1) 및 제2 데이터 로거 단자(DLT2)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 제1 데이터 로거 단자(DLT1)와 제2 데이터 로거 단자(DLT2)를 통해 각각의 단위셀(110)의 전류, 전압 및 저항 등의 정보를 실시간으로 수집할 수 있다.
제1 데이터 로거 단자(DLT1)는 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)를 관통하여 애노드 분리판(121-1, 121-2)마다 설치될 수 있다. 구체적으로, 제1 데이터 로거 단자(DLT1)는 하나 이상의 애노드 분리판(121-1, 121-2)의 헤드(121-1h, 121-2h)의 측면들 중 길이가 짧은 측면을 수직으로 관통하여 캐소드 분리판(122-1, 122-2)과 교대로 설치된 애노드 분리판(121-1, 121-2)을 따라 애노드 분리판(121-1, 121-2)마다 일렬로 설치될 수 있다.
제2 데이터 로거 단자(DLT2)는 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)를 관통하여 캐소드 분리판(122-1, 122-2)마다 설치될 수 있다. 구체적으로, 제2 데이터 로거 단자(DLT2)는 하나 이상의 캐소드 분리판(122-1, 122-2)의 헤드(122-1h, 122-2h)의 측면들 중 길이가 짧은 측면을 수직으로 관통하여 애노드 분리판(121-1, 121-2)과 교대로 설치된 캐소드 분리판(122-1, 122-2)을 따라 캐소드 분리판(122-1, 122-2)마다 일렬로 설치될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)의 물 공급, 산소 배출, 미반응물 배출 및 수소 배출 경로를 설명하기 위한 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100) 중 일측 엔드플레이트(142)에 설치된 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1) 및 수소 배출구(EX2)를 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 엔드플레이트(142)에 설치된 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1) 및 수소 배출구(EX2)를 포함할 수 있다. 여기서, 미반응물(unreacted water)이란 반응하지 않은 물을 의미한다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 엔드플레이트(142) 대신에 엔드플레이트(141)에 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1) 및 수소 배출구(EX2)를 설치할 수도 있다. 다만, 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1) 및 수소 배출구(EX2) 중 일부를 엔드플레이트(142)에 설치하고, 물 공급구(IN), 산소와 미반응물 배출구(EX1) 및 수소 배출구(EX2) 중 나머지 일부를 엔드플레이트(141)에 설치하게 되면 수전해 효율이 떨어질 수 있으므로 바람직하지 않다.
또한, 상술한 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택(100)은 PEMEL(polymer electrolyte membrane water electolyser), AKEL(alkaline water electrolyser), AEMEL(anion exchange membrane　electrolyser) 또는 SOEL(solid oxide water　electrolyser)에 적용될 수 있다.
이상에서 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
[부호의 설명]
100: 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택
110: 단위셀 111: 분리막
112a: 애노드 촉매층 112c: 캐소드 촉매층
113a: 애노드 113c: 캐소드
121-1: 제1 애노드 분리판 121-1h: 제1 애노드 분리판 헤드
121-2: 제2 애노드 분리판 121-2h: 제2 애노드 분리판 헤드
122-1: 제1 캐소드 분리판 122-1h: 제1 캐소드 분리판 헤드
122-2: 제2 캐소드 분리판 122-2h: 제2 캐소드 분리판 헤드
141: 제1 엔드플레이트 142: 제2 엔드플레이트
150: 체결부재 IN: 물 공급구
EX1: 산소와 미반응물 배출구 EX2: 수소 배출구
HEXP: 열교환 통로 GH: 발열
CFD: 전류 흐름 방향 TS1, TS2: 온도센서
DLT1, DLT2: 데이터 로거 단자

Claims (19)

  1. 하나 이상의 애노드 분리판;
    상기 하나 이상의 애노드 분리판과 마주 보도록 배치된 하나 이상의 캐소드 분리판; 및
    상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판 중 서로 이웃하는 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이마다 이들과 마주 보도록 배치된 단위셀을 포함하고,
    상기 하나 이상의 애노드 분리판과 상기 하나 이상의 캐소드 분리판은 서로 하나씩 교대로 배치된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    복수개의 애노드 분리판을 포함하고, 스택 조립후, 상기 복수개의 애노드 분리판은 헤드들이 서로 접촉하도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수개의 애노드 분리판은 하나 이상의 제1 애노드 분리판 및 하나의 제2 애노드 분리판을 포함하고, 상기 제1 애노드 분리판은 T자형 헤드를 포함하고, 상기 제2 애노드 분리판은 일측 돌출부를 갖는 헤드를 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수개의 애노드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 애노드 집전체를 더 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  5. 제1항에 있어서,
    복수개의 캐소드 분리판을 포함하고, 스택 조립후, 상기 복수개의 캐소드 분리판은 헤드들이 서로 접촉하도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수개의 캐소드 분리판은 하나 이상의 제1 캐소드 분리판 및 하나의 제2 캐소드 분리판을 포함하고, 상기 캐소드 분리판은 T자형 헤드를 포함하고, 상기 제2 캐소드 분리판은 일측 돌출부를 갖는 헤드를 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수개의 캐소드 분리판의 헤드들을 모두 덮도록 배치된 캐소드 집전체를 더 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단위셀은 분리막, 상기 분리막을 중심으로 일측에 차례로 배치된 애노드 촉매층과 애노드, 및 상기 분리막을 중심으로 타측에 차례로 배치된 캐소드 촉매층과 캐소드를 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  9. 제8항에 있어서,
    스택 조립후, 상기 애노드는 대응 애노드 분리판과 전기적으로 접촉하고, 상기 캐소드는 대응 캐소드 분리판과 전기적으로 접촉하도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  10. 제9항에 있어서,
    전류는 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드에 동시에 인가되어 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드까지 동시에 일방향으로 흐르도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  11. 제10항에 있어서,
    전류는 애노드 집전체를 통해 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드에 동시에 인가되어 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드를 동시에 통과한 후 캐소드 집전체까지 일방향으로 흐르도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드와 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드 사이의 전압, 또는 상기 애노드 집전체와 상기 캐소드 집전체 사이의 전압은 일정한 기준값을 갖도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드와 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 테일 사이, 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드와 상기 하나 이상의 애노드 분리판의 테일 사이에는 열교환 통로가 형성되도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 애노드 분리판 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판을 포함하는 분리판 전체를 사이에 두고 일측 및 타측에 하나씩 배치된 한쌍의 엔드 플레이트를 더 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 한쌍의 엔드 플레이트로는 전류가 인가되지 않도록 구성된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 한쌍의 엔드 플레이트를 결합하도록 구성된 하나 이상의 결합부재를 더 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 한쌍의 엔드 플레이트 중 어느 하나에 설치된 물 공급구, 산소와 미반응물 배출구 및 수소 배출구를 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드와 테일 사이의 부분을 관통하여 애노드 분리판마다 설치된 제1 온도 센서, 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드와 테일 사이의 부분을 관통하여 캐소드 분리판마다 설치된 제2 온도 센서를 더 포함하고, 상기 제1 온도 센서와 상기 제2 온도 센서는 서로 엇갈리게 설치된 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 애노드 분리판의 헤드를 관통하여 애노드 분리판마다 설치된 제1 데이터 로거 단자 및 상기 하나 이상의 캐소드 분리판의 헤드를 관통하여 캐소드 분리판마다 설치된 제2 데이터 로거 단자를 더 포함하는 전력 수직 배향형 모노폴라 수전해 스택.
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