KR-20260061970-A - Electrolysis system including surface-treated titanium PTL

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Abstract

본 발명은 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수전해 스택의 구성요소 중 하나인 확산체로 적용되는 티타늄 피티엘의 표면처리를 통해 효율이 향상된 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템에 관한 것이다. 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 적층하여 모듈화시킨 수전해 시스템에 있어서, 상기 분리막, 한 쌍의 상기 바이폴라 플레이트, 한 쌍의 상기 가스켓, 한 쌍의 상기 확산체 및 한 쌍의 상기 전극이 적층되는 셀 프레임을 포함하고, 상기 확산체는 티타늄 피티엘(PTL; Porous Transport Layer)이 적용된 것이다.

Inventors

김동호
박서진

Assignees

주식회사 이에스티솔루션

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20241028

Claims (5)

분리막을 기준으로 캐소드 측과 애노드 측에 각각 바이폴라 플레이트, 확산체 및 전극이 순차적으로 배치되어 서로 대칭을 이루는 단위 스택을 포함하고, 복수의 상기 단위 스택들을 적층하여 모듈화시킨 수전해 시스템에 있어서, 상기 분리막, 한 쌍의 상기 바이폴라 플레이트, 한 쌍의 상기 가스켓, 한 쌍의 상기 확산체 및 한 쌍의 상기 전극이 적층되는 셀 프레임을 포함하고, 상기 확산체는 티타늄 피티엘(PTL; Porous Transport Layer)이 적용된 것을 특징으로 하는 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 확산체는 티타늄 피티엘을 플루오로 실란으로 표면처리한 것을 특징으로 하는 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템.
청구항 2에 있어서, 상기 플루오로 실란은 탄소 수가 8개 이상의 선형 과불소알킬실란(perfluoroalkylsilane)인 것을 특징으로 하는 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템.
청구항 2에 있어서, 상기 플루오로 실란으로 표면처리된 티타늄 피티엘의 표면에 패턴을 형성하되, 패턴을 형성할 때 포토 마스크를 이용한 UV 조사 및 산소 라디칼 기체를 이용하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템.
청구항 4에 있어서, 상기 산소 라디칼 기체는 오존을 이용하는 것을 특징으로 하는 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템.

Description

표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템 {Electrolysis system including surface-treated titanium PTL} 본 발명은 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수전해 스택의 구성요소 중 하나인 확산체로 적용되는 티타늄 피티엘의 표면처리를 통해 효율이 향상된 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템에 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 확보할수 있고, 단일 셀들의 연속적인 연결로 인하여 기체 및 액체의 유로를 단순화할 수 있고, 내부 저항이 감소하여 성능 확보에 유리하다. 한편 이러한 수전해 시스템에서 확산체(PTL, Porous Transport Layer)는 수소 및 산소 발생 반응이 일어나는 전극층과 분리판 사이에서 중요한 역할을 한다. 확산체는 전극으로 유입되는 반응물(물)을 촉매층에 균일하게 분포시키고, 생성된 수소와 산소 기체를 효율적으로 배출시키며, 전기화학 반응에서 발생한 전자를 전달하는 역할을 수행한다. 특히, 수소 생산의 효율성을 극대화하기 위해서는 촉매층과 확산체의 적절한 상호작용이 필수적이다. 확산체의 재료로는 내구성과 전기전도도가 우수한 티타늄이 널리 사용되고 있으나 티타늄은 높은 비용과 함께 표면의 특성상 반응성 가스가 충분히 확산되기 어려운 단점이 있었다. 도 1은 본 발명에 따른 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템의 단위스택의 사시도, 도 2는 도 1의 단위 스택의 분리사시도, 도 3은 확산체의 표면처리 과정을 표시한 블록도이다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 도 1 내지 2를 참조하면, 본 발명에 따른 표면처리된 티타늄 피티엘을 포함하는 수전해 시스템은 복수의 단위 스택(10)으로 구성되며, 각각의 단위 스택(10)은 엔드플레이트(100) 사이에 배치되는 전류집진판(200), 캐소드전극(300), 캐스킷 하우징, 확산체(500), 애노드전극(600), 이온교환막(700) 및 바이폴라 플레이트(800)를 포함한다. 상기 엔드플레이트(100)는 스택의 양쪽 끝에 위치하여 스택 전체를 물리적으로 고정하고, 각 부품들을 안정적으로 결합시키는 역할을 한다. 본 발명에서 엔드 플레이트는 내구성이 우수한 재질로 제작되며, 외부의 충격에도 시스템이 안정적으로 유지되도록 지지하는 구조를 가진다. 상기 엔드플레이트(100)로는 스테인리스강, 알루미늄 합금, 티타늄, 폴리머 강화복합재, 탄소섬유 복합재 중 어느 하나가 적용될 수 있는데, 스테인리스강의 경우 우수한 내식성, 내구성, 고온 및 고압에서의 강도가 특징이며, 수소 및 산소의 부식에 강하고, 고온에서의 안정성을 보장하기 때문에 수전해 시스템의 내구성 향상에 기여할 수 있다. 알루미늄 합금의 경우에도 무게가 가볍고 기계적 강도와 내식성이 우수하며, 비교적 낮은 비용으로 제작이 가능하기 때문에 엔드플레이트(100)의 소재로서 적합하다. 상기 전류집진판(200)은 각 전극에서 발생한 전류를 외부 회로로 전달하는 역할을 한다. 전류집진판(200)은 캐소드전극(300)과 애노드전극(600)에 접촉하여 효율적으로 전류를 수집하며, 저항을 최소화하는 도전성 재료 예를들어, 구리, 니켈, 티타늄 등의 고전도성 금속 또는 합금과 같이 높은 전도성과 내식성을 갖춘 재료가 적합하다. 상기 전류집진판(200)은 캐소드 및 애노드전극(600)에서 생성된 전류를 수집하여 외부 회로로 전달하는데, 이 과정에서 저항 손실을 최소화하는 것이 중요하다. 따라서 전류집진판(200)은 전기적 연결이 원활하게 이루어질 수 있도록 표면 처리(도금, 피막 처리 등)가 필수적이며, 스택 내에서 발생할 수 있는 전기화학적 부식에 저항하는 재료가 사용될 수 있다. 상기 캐소드전극(300)은 수소 발생 반응이 일어나는 부분으로, 전기화학적 반응을 통해 물 분해로 수소를 생성하는 역할을 한다. 일반적으로 백금(Platinum), 니켈(Nickel), 또는 탄소 기반 촉매가 사용되는데, 이들은 높은 반응성 및 내구성을 제공할 수 있다. 캐소드전극(300)에서 전자가 공급됨에 따라 물 분해가 촉진되고, 수소 이온(H+)이 이온교환막(700)을 통해 이동하여 수소 분자가 생성됩니다. 반응 효율을 높이기 위해 표면적이 넓은 다공성 구조가 사용될 수 있다. 백금 촉매의 사용은 고효율을 보장하지만 비용이 높기 때문에, 촉매 사용량을 줄이면서 반응 효율을 유지하기 위한 표면 처리가 이루어질 수 있다. 가스켓 하우징(400)은 각 전극과 부품들이 외부 환경으로부터 보호받을 수 있도록 밀폐된 구조를 제공하며, 각 부품 간의 기밀성을 보장하여 내부에서 발생하는 수소 및 산소가 외부로 누출되지 않도록 한다. 상기 가스켓 하우징(400)은 내식성 및 내열성이 요구되는 폴리머, 고무, 실리콘, PTFE(폴리테트라플루오로에틸렌) 등이 사용될 수 있다. 가스켓 하우징(400)은 스택 내에서 물질의 흐름을 유도하며, 기밀성을 유지하여 물, 산소, 수소가 적절히 반응할 수 있는 환경을 제공한다. 또한 부품 사이의 밀폐성을 높여 기체의 누출을 방지하며, 외부의 압력 변화에도 안정성을 제공한다. 상기 가스켓 하우지은 기밀성 유지가 매우 중요한데, 특히 고압 환경에서 수소와 산소 누출을 방지하기 위해서는 내압성과 내구성이 뛰어난 재질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 애노드전극(600)은 산소 발생 반응이 일어나는 부분으로, 전기화학적 반응을 통해 물에서 산소를 분리하는 역할을 한다. 애노드전극(600)은 이리듐(Ir), 이리듐 산화물(IrO₂), 니켈(Ni) 등의 촉매가 사용된다. 이러한 재료들은 산소 발생 반응에서 높은 반응성을 제공하며, 전기화학적 부식에 강한 특성을 가진다. 애노드전극(600)은 전기화학적 반응을 통해 물 분자가 산소 이온과 수소 이온으로 분해되며, 애노드에서 산소가 발생합니다. 효율적인 반응을 위해 고활성 촉매가 필요하며, 촉매층의 균일한 분포와 반응 표면적의 최적화가 중요하다. 아울러 이리듐 기반 촉매는 높은 효율성을 제공하지만