KR20200024835A - Pem 수 전해조 시스템, pem 수 전해조 셀, 스택 및 시스템에서 수소를 생산하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질막(PEM) 수 전해조 셀에서 수소를 생산하는 방법에 관한 것이다. 수 전해조 셀에는 직류가 인가된다. 물 분자는 캐소드 구획으로부터 폴리머 전해질막을 통해 애노드 구획으로 확산되어 애노드 촉매층의 물 분자를 프로톤, 산소 및 전자로 산화시킨다. 프로톤은 폴리머 전해질막을 통해 캐소드 구획으로 이동하고 프로톤은 캐소드 촉매층에서 환원되어 수소를 생산한다. 셀은 캐소드 구획에 물을 공급하고 애노드 구획에 가습된 공기를 공급한다. 또한, 본 발명은 고분자 전해질막(PEM) 수 전해조 셀, 고분자 전해질막(PEM) 수 전해조 셀 스택 및 고분자 전해질막(PEM) 수 전해조 셀 시스템에 관한 것이다.

Description

PEM 수 전해조 시스템, PEM 수 전해조 셀, 스택 및 시스템에서 수소를 생산하는 방법
본 발명은 PEM 전해조 시스템을 사용하여 수소를 생산하는 방법, 및 고분자 전해질막(PEM) 수 전해조 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 PEM 수 전해조 셀 및 셀의 스택 및 그 작동에 관한 것이다.
수 전해조 셀은 물을 분리하여 수소 및 산소 가스를 생산하는 전기화학 장치이다. 전해조 셀은 캐소드, 애노드 및 전해질을 포함한다. 전해질은 캐소드와 애노드 사이에 위치되어 있고, 전자의 수송을 방지하면서 전극 사이에서 이온을 수송한다. 하나의 전해질 대안은 고분자 전해질막(PEM)이고, 소위 프로톤 교환막이라고 한다. 전해조 셀의 작동 중에, 물은 애노드에서 산소 가스, 프로톤 및 전자로 산화된다. 프로톤은 폴리머 전해질막을 가로질러 인가된 전기장으로 인해 애노드에서 캐소드로 이동한다. 캐소드에서, 프로톤은 외부 회로를 통해 전달된 전자와 결합하여 수소 가스를 생산한다. 도 2는 최신 기술에 따른 PEM 수 전해조 셀의 막 전극 접합체(MEA) 및 주요 수송 현상 및 발생하는 반응의 개략도를 나타낸다.
전해조 셀은 애노드 측에서 물을 소비하고, 이 물은 애노드에 연속적으로 공급되어야 한다. 물은 애노드에 직접 공급되거나(도 2에 도시된 바와 같이) 캐소드에 공급되어, 폴리머 전해질막을 통해 애노드로 수송될 수 있다. 물의 소비율, 즉 수소와 산소의 발생 속도는 셀을 통과하는 전류의 증가가 가스의 발생 증가 및 물의 소비 증가를 초래한다는 패러데이의 법칙에 의해 좌우된다.
물 수송 이외에도, 산소(O2(diff)) 및 수소 (H2(diff))는 막을 가로지르는 가스의 부분 압력 구배로 인해 확산/대류 메커니즘을 통해 막을 통해 수송된다. 막을 가로지르는 이러한 가스 플럭스, 및 그에 따른 애노드에서의 산소의 수소와 캐소드에서의 수소의 산소의 혼합은 최신 기술의 PEM 수 전해조에 있어서의 주요 설계 및 작동 제약 중 하나이다: 가연성 및/또는 폭발성 가스 혼합물을 형성하기 위해 애노드에서의 산소의 소량의 수소만이 필요하므로, 애노드에서의 산소 생산이 너무 낮거나(낮은 전류 밀도) 수소의 수송이 너무 높으면(얇은 막 및/또는 높은 투과성) 막을 통해 수송된 수소가 이 레벨을 초과한다.
이러한 수소 교차 문제는, 바람직하게는 Nafion® 또는 Aquvion®과 같은 퍼플루오로술폰산(PSFA) 폴리머로 제조된 두꺼운 막(125㎛ 이상)을 사용함으로써 개선된 최신 기술의 PEM 수 전해조에 있고, 막을 통한 수소 확산을 효과적으로 감소시킨다. 백금 또는 팔라듐과 같은 수소/산소 재조합 촉매가 막으로 도입되고, 물에 산소와 수소를 국소적으로 재조합하기 위한 반응 사이트로서 작용하여, 확산 가스가 다른 전극 구획에 도달하여 기상으로 들어가는 것을 방지한다. 그러나, 필요한 양의 재조합 촉매 및 재조합 반응이 일어나는 시간을 갖기 위해서는, 여전히 상당한 두께의 막을 가질 필요가 있다. 따라서, 최신 기술의 수 전해조는 125미크론(Nafion® 115 또는 그와 동등한) 이상의 두께를 갖는 폴리머 전해질막을 사용한다.
이러한 두꺼운 막의 사용은 특히 1 A㎝-2 이상의 전류 밀도에서 상당한 옴 저항, 및 그에 따른 전해조의 낮은 효율을 도입한다.
오늘날, 수 전해조 셀은 약 65~70%(더 높은 가열값 HHV)의 스택 효율로 작동되고, 1kg H2에 대해 약 55kWh의 전기가 요구된다. 55kWh 중, 전기분해 공정에서 약 50kWh가 사용되고 플랜트(순환 및 급수 펌프, 열 교환기, 이온 교환기, 가스/물 분리기, 밸브 및 센서)의 균형에 의해 약 5kWh가 사용된다. 대부분의 수 전해조 시스템에 있어서, 전기 비용은 생산된 수소 비용의 최대 80%에 도달할 수 있으며, 수 전해 스택의 효율 증가는 전반적으로 1차 전기 에너지 소비와 총 수소 비용 모두를 개선시킬 수 있다.
현재 PEM 전해조 셀은 주로 두 가지 요소에 의해 효율이 제한된다:
1. 애노드의 과전압
2. 폴리머 막에서의 옴 저항
본 발명의 목적은 수 전기분해에 의한 수소 생산을 위한 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 에너지 소비를 감소키시고, 그에 따른 수소 생산 비용을 감소시키는 것을 목표로 한다. 본 발명의 다른 목적은 전해조에 산소와 수소의 가연성 또는 폭발성 혼합물의 형성을 피하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 있어서, 고분자 전해질막(PEM) 수 전해조 셀에서 수소를 생산하는 방법이 제공된다. 상기 방법은 수 전해조 셀에 직류를 인가하는 단계, 캐소드 구획으로부터의 물 분자를 폴리머 전해질막을 통해 애노드 구획으로 확산시키는 단계, 애노드 촉매층에서 물 분자를 프로톤, 산소 및 전자로 산화시키는 단계, 프로톤이 폴리머 전해질막을 통해 캐소드 구획으로 이동하는 단계, 캐소드 촉매층에서 프로톤을 감소시켜 수소를 생산하는 단계, 및 캐소드 구획에 물을 공급하고 애노드 구획에 가습된 공기를 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 애노드 구획에 공급된 가습된 공기는 75% RH 초과의 상대습도(RH)를 갖는다. 가습된 공기는 물로 포화될 수도 있다. 선택적으로, 과포화된 공기가 사용된다. 가습된 공기는 공기 가습기 펌프/송풍기를 사용하여 애노드에 공급될 수 있고, 애노드의 활성 영역을 따라 최적의 가스 및 물 분포를 위해 유동 분배 매니폴드 및 애노드 바이폴라 플레이트 상의 유동 패턴을 통해 분배될 수 있다.
작동 중에, 전해조 셀의 캐소드 측의 압력은 애노드 측의 압력보다 높도록 제어되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 캐소드 측의 압력은 애노드 구획에서의 압력보다 0.5bar~35bar 더 높다. 작동 중에, 애노드 구획은 일반적으로 대기압보다 약간 높은 압력에서 작동된다.
본 발명의 제 2 양태에 있어서, 수소 생산을 위한 고분자 전해질막(PEM) 수 전해조 셀이 제공된다. PEM 수 전해조 셀은 애노드 바이폴라 플레이트, 애노드 금속 다공성 수송층 및 애노드 촉매층을 포함하는 애노드 구획, 캐소드 바이폴라 플레이트, 캐소드 금속 다공성 수송층 및 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드 구획을 포함하고, 상기 애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층은 폴리머 교환 막 중 어느 한 측면 상에 코팅되고, 여기에서 상기 캐소드 구획은 제 1 세트의 입구 및 출구 유동 분배 매니폴드를 통해 이온 교환수를 공급하도록 구성되고, 상기 캐소드 바이폴라 플레이트는 제 1 유동장 패턴으로 설계되고, 상기 애노드 구획은 제 2 입구 및 출구 유동 분배 매니폴드 세트를 통해 가습된 공기를 공급받도록 구성되고, 상기 애노드 바이폴라 플레이트는 제 2 유동으로 설계된다.
애노드 촉매층 및 캐소드 촉매층은 분말 형태의 촉매를 포함할 수 있다.
공급된 공기의 온도 및 상대습도값은 일반적으로 50~90℃의 전해조의 공칭 작동 온도이다.
폴리머 전해질막은 50미크론 미만, 바람직하게는 5~49미크론, 가장 바람직하게는 10~35미크론의 두께를 가질 수 있다.
본 발명의 제 3 양태에 있어서, 직렬로 연결된 본 발명에 따른 복수의 고분자 전해질막 수 전해조 셀을 포함하는 PEM 수 전해조 셀 스택이 제공된다.
본 발명의 제 4 양태에 있어서, PEM 수 전해조 셀 시스템이 제공된다. 이 시스템은 본 발명에 따른 PEM 전해조 셀 스택을 물 및 산소 관리 시스템, 수소 가스 관리 시스템, 물 입력 시스템, 장착 및 패키징 캐비닛 서브시스템, 환기 시스템, 전력 전자 및 전력 공급, 시스템 제어 및 계측, 가습된 공기 공급 및 가습 시스템과 함께 포함한다.
도 1은 애노드에 가습된 공기를 공급하고 캐소드에 액체 물을 공급하여 작동하도록 구성된 전해조 셀의 개략도이다.
도 2는 최신 기술에 따른 막 전극 접합체(MEA)의 개략도이다.
도 3은 본 발명에 따른 막 전극 접합체(MEA)의 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 PEM 수 전해조 시스템의 개략도이다.
도 5는 전해조 시험 동안에 셀 전압, 전류 밀도 및 애노드 측 가스 조성을 나타내는 다이아그램이다.
도 6은 상이한 작동 조건(에너지 소비에 비례)에서의 셀 전압을 나타내는 다이어그램이다.
본 발명의 목적 및 특징은 후술하는 도면을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.
도 1은 애노드에 가습된 공기를 공급하고 캐소드에 액체 물을 공급하여 작동하도록 구성된 전해조 셀의 개략도이다.
전해조 셀은 애노드 바이폴라 플레이트(1a), 애노드 금속 다공성 수송층(2a) 및 얇은 폴리머 전해질막(4)의 상부에 코팅된 애노드 촉매층(3)을 갖는 애노드 구획을 포함한다. 캐소드 구획은 폴리머 전해질막(4)의 상부에 코팅된 캐소드 촉매층(5), 캐소드 금속 다공성 수송층(2b) 및 캐소드 금속 바이폴라 플레이트(1b)를 포함한다. 애노드 바이폴라 플레이트(1a)는 높은 내식성 및 높은 전기 전도성을 갖는 금속 재료로 제조된다. 또한, 애노드 바이폴라 플레이트(1a)는 전해조의 활성 영역을 따라 최적의 가스 및 물 분배를 위해 유동장 패턴(6) 및 상응하는 입구(7) 및 출구(8) 유동 분배 매니폴드로 설계된다 . 애노드 바이폴라 플레이트(1a) 및 애노드 금속 다공성 수송층(2a) 모두는 전해조에서 전기 접촉 저항을 최소화하도록 최적화된다. 애노드 금속 다공성 다공성 수송층(2a)은 가습된 공기가 애노드 촉매층(3) 내로 확산될 수 있게 하는 내식성 및 전자 전도성이 높은 다공성 재료로 제조된다. 애노드 촉매층(3)은 산소 발생 반응에 매우 효율적인 촉매, 및 애노드 촉매층(3) 외부로 프로톤의 이동 및 내부로 물의 이동을 허용하는 프로톤 전도성 폴리머를 포함한다. 또한, 캐소드 금속 바이폴라 플레이트(1b)는 높은 내식성 및 높은 전기 전도성을 갖는 금속 재료로 제조된다. 캐소드 바이폴라 플레이트(1b)는 유동장 패턴(9)으로 설계되지만, 전해조 장치의 활성 영역을 따라 최적의 물 및 가스 분배를 위해 애노드 바이폴라 플레이트(1a)의 유동장 패턴(6), 상응하는 입구(10) 및 출구(11) 유동 분배 매니폴드와 반드시 동일할 필요는 없고, 애노드 측에서의 (7) 및 (8)과 동일할 필요는 없다. 캐소드 금속 다공질 수송층(2b)은 캐소드 촉매층(5) 내외로 물 및 수소의 수송을 가능하게 하는, 내식성 및 전자 전도성이 높은 다공질 재료로 제조된다. 캐소드 촉매층(5)은 수소 발생 반응에 매우 효율적인 촉매, 및 캐소드 촉매층(5) 내부로 프로톤의 이동 및 외부로 물의 이동을 허용하는 프로톤 전도성 폴리머를 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 PEM 수 전해조 셀의 막 전극 접합체(MEA) 및 주요 수송 현상 및 반응의 개략도를 나타낸다.
작동 중에, 이온 교환수(H20(I))는 캐소드 바이폴라 플레이트 상의 스택 입구 포트, 내부 매니폴드 및 유동장 패턴을 통해 셀의 캐소드 구획으로 도입된다. 가습된 공기는 애노드 바이폴라 플레이트 상의 애노드 입구 포트, 내부 매니폴드 및 유동장 패턴을 통해 애노드 구획으로 공급된다. 캐소드 상의 물의 일부는 폴리머 전해질막에 의해 흡수되고, 조합된 확산/대류 메커니즘(H20(diff))을 통해 애노드로 이동한다. 물은 애노드에서 반응하여, 식(1)에 따라 산소 가스, 프로톤 및 전자로 변환된다.
H20 → 2e- + 2H+ + ½02 (1)
프로톤은 애노드 측으로부터 캐소드 측으로 폴리머 전해질막을 통해 이동하고, 전기삼투 드래그라고 알려진 현상에 의해 막의 애노드 측에서 캐소드 측으로 상당 부분의 액체 물(H20(drag))을 운반한다. 캐소드에서, 프로톤은 외부 회로를 통해 전달된 전자와 결합하여, 식(2)에 따라 수소 가스를 생산한다.
2e- + 2H+ → H2 (2)
애노드 구획에 있는 과잉의 물은 공기, 산소 가스, 수증기((H20(g)) 및 소량의 수소 가스와 함께 셀을 빠져 나간다. 캐소드 측 상에 생산된 수소 가스는 과잉의 물 및 산소의 흔적과 함께 셀을 빠져 나간다.
전해조 셀에서 애노드에서의 산소 발생 속도 및 캐소드에서의 수소 발생 속도는 인가된 셀 전류의 증가가 애노드에서의 물의 소비 속도, 즉 애노드 및 캐소드 모두에서 가스의 발생 속도를 증가시킬 것이라는 패러데이의 법칙에 의해 좌우된다.
주어진 전극 면적 및 스택 크기에서 증가된 수소 발생을 유지하기 위해서, 애노드에는 충분한 물이 공급되어야 한다.
전기분해 셀의 연속 작동은 산소 발생 반응에서 소비되는 캐소드에서 애노드로의 물 수송을 필요로 한다. 이러한 소비 이외에도, 다른 메커니즘은 애노드에서 물이 제거된다. 첫째, 막을 통해 이동하는 프로톤이 그들과 함께 상당량의 물 분자를 드래그함으로써, 전기삼투 드래그라고 알려진 효과는 물의 애노드를 대폭 감소시킨다. 예를 들면 Nafion® 막에서, 전기삼투 드래그는 프로톤당 최대 약 3분자의 물 분자일 수 있다.
셀에서 애노드 기상은 애노드에서 생산된 추가 산소 기체로 인해 수증기로 불포화될 수 있다. 따라서, 애노드 내의 액체 물은 증발하여 배출 가스와 함께 애노드를 떠나 막으로부터 물에 의해 보충될 수 있다.
막을 통한 물의 확산은 막에서 물의 활성 구배 및 막에서의 물의 확산 계수에 비례하며, 픽의 법칙(Ficks law)이라고 알려져 있다.
막의 활성 구배는 막 두께의 감소가 활성 구배를 증가시킨다는 점에서 막의 두께에 반비례한다.
본 발명에서, PEM 막의 두께는 50미크론 미만, 바람직하게는 5~49미크론, 더욱 바람직하게는 10~35미크론의 범위일 수 있다. 전기분해 셀에서 상기 기재된 바와 같이 얇은 막을 사용함으로써, 캐소드에서 애노드로의 물 수송을 증가시켜 한계 전류 밀도를 증가시키고, 따라서 주어진 셀 및 스택 크기로 수소 및 산소 가스 발생이 증가한다.
캐소드에서의 물의 활성은 캐소드에서의 압력에 비례한다. 일 실시형태에 있어서, 작동 중에 전해조 셀의 캐소드 압력은 애노드 압력보다 더 높도록 제어된다. 이 압력 차이는 캐소드에서 애노드로 물을 "푸쉬"함으로써, 캐소드에서 애노드로의 물 수송을 개선시키고, 동일한 전극 크기로 가스 생산 속도를 증가시킨다. 애노드에서의 압력은 애노드 구획을 통한 유동 가습된 공기의 압력 강하를 극복하기 위해 전형적으로 주위 압력보다 약간 높다. 일 실시형태에 있어서 캐소드와 애노드 사이의 압력 차이는 0.5bar~35bar이고, 다른 실시형태에 있어서 압력 차이는 1bar~20bar이다.
최신 기술의 전해조 셀에 사용된 막보다 상당히 얇은 상술한 바와 같은 얇은 막의 사용은 전해조 셀의 옴 저항을 감소시키고 공정의 에너지 소비를 15~20%만큼 감소시킬 수 있고, 따라서 전기분해 셀의 외부 냉각에 대한 필요성을 감소시킨다. 또한, 더 얇은 막은 캐소드에서 애노드로의 수소 흐름 및 애노드에서 캐소드로의 산소 흐름을 증가시킬 수 있다. 애노드에서 물만 공급되는 종래의 전해조 셀에서, 증가된 수소 플럭스는 전기분해 셀의 더 넓은 작동 범위에 걸쳐 애노드 구획에서 폭발성 또는 가연성 가스 혼합물의 형성 위험을 증가시킬 수 있다. 본 발명은 얇은 막의 사용과 애노드에 가습된 공기의 공급을 조합함으로써 이러한 위험을 완화시킨다. 가습된 공기를 애노드에 공급하면 막을 통해 캐소드로 수송된 수소를 효과적으로 희석시켜 약 4mol%의 수소 공기 혼합물의 폭발 한계(LEL)보다 훨씬 낮은 수준으로 떨어뜨리고, 따라서 전기분해 셀의 전체 작동 범위에서 가연성 또는 폭발성 가스 혼합물의 형성 위험을 제거한다.
전해조 셀의 작동은, 예를 들면 자유 라디칼 공격 공정에 의해 폴리머 전해질막의 분해를 야기할 수 있다. 이러한 분해 공정은 전형적으로 캐소드에서 산소 환원의 부생산물로서 과산화수소 및 자유 라디칼의 형성으로 인해 캐소드에 가까운 막 영역에서 가장 높다. 자유 라디칼의 형성 속도, 및 그 결과 막에서 이들의 농도는 애노드에서 캐소드로 막을 통한 산소의 흐름과 직접 관련이 있다. 이 플럭스는 막에서 폴리머상에서의 확산과 수상에서의 확산/대류의 조합이다. 확산 속도는 일반적으로 애노드(pO2)에서의 산소 분압에 직접 비례하고, 대류 속도는 막을 통한 물 흐름에 비례한다.
일 실시형태에 있어서, 전해조 셀에 애노드에서 가습된 공기가 공급될 때, 공기 중의 질소 및 수증기의 조합은 종래의 PEM 전해조 셀보다 훨씬 낮은 p02를 제공한다. 또한, 애노드에서 캐소드까지 순수한 H2O 플럭스가 있는 종래의 PEM 전해조 셀과는 대조적으로, 순수한 물 플럭스는 캐소드에서 애노드까지이다(도 2 및 3 참조). 따라서, 애노드에서 가습된 공기 공급 및 캐소드에서 물 공급으로 작동되는 전해조 셀은 종래의 PEM 전해조보다 자유 라디칼의 형성이 현저히 낮고 막 분해율이 낮을 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 PEM 물 전해조 시스템의 개략도를 도시한다. 이 시스템에서, 공기는 송풍기 또는 압축기(12)를 통해 공기 가습기(13)로 공급되어 PEM 전해조 셀 스택(14)에서 셀의 애노드 측에 공급되는 공기의 제어된 가습 레벨을 달성하도록 구성된다. 공기 가습기는 엔탈피 휠, 막 가습기, 물 분무기, 스프레이 타워 또는 기포 가습기와 같은 다양한 대안 중에서 선택할 수 있다.
전해조 스택(14)은 가습된 공기가 애노드 전극의 표면에 고르게 분포되도록 각각의 전해조 셀에 가습된 공기를 공급하여, 캐소드로부터 침투하여 수소 가스를 1체적% 미만의 수준으로 희석하도록 구성된다. 또한, 전해조 스택은 각각의 전해조 셀의 캐소드 구획에 액체 물을 공급하도록 구성된다. 이러한 조합은 애노드에서의 산소 발생 반응에 필요한 물을 확보하고, 높은 프로톤 전도성을 유지하기 위해 막의 높은 수분 함량을 보장하는데 필수적이다. 이온 교환수는 정수 장치(19)로부터 공급된다. 생산된 수소는 물과 함께 PEM 물 전해조 스택(14)을 빠져나간다. 수소 및 물은 수소/물 분리기(15)로 분리된다. 수소는 탈산제/건조기(16)를 통해 흐른다. 분리된 물은 정수 장치(19) 및 PEM 물 전해조 스택(14)으로 재활용된다. 순환 펌프(17) 및 열교환기(18)가 순환 라인에 포함될 수 있다.
실시예
Nafion® 212 막(50미크론 두께)을 기초로 한 MEA를 사용하여 실험을 수행하고 25㎠ 전해조 시험 셀에 장착했다. 테스트 셀을 Greenlight Technologies의 PEM 전해조 셀 테스트 스테이션에 연결했다. 실험의 처음 2시간 동안, 셀은 애노드 및 캐소드에서 물 순환과 함께 1A㎝-2에서 통상적인 모드로 60℃에서 작동되었다. 산소 중의 수소 농도는 지속적으로 모니터링되었고, 애노드 측에서 약 2vol%의 정상 상태값을 보였다. 시간의 함수로서 산소 중의 수소 농도는 도 5에 도시되었다. 2시간 후, 작동을 변경하여 캐소드에 액체 물을 공급하는 동안 가습된 공기(60℃에서 100% RH)의 9Imin-1이 애노드에 공급되었다. 전해조의 셀 전압과 전류가 일정할 때에 애노드로부터의 배출 가스의 수소 농도는 즉시 검출할 수 없는 레벨(0.1% 미만)로 떨어진다.
5시간 후, 전류 밀도의 영향을 조사했다. 또한, 이들 결과는 도 5에 나타냈다. 전류 밀도는 0.01~2A㎝-2로 달라지고, 배출되는 애노드 가스에서 검출 가능한 양의 수소는 검출되지 않았다. 이에 비해, 셀을 애노드 및 캐소드 모두에서 물을 사용하여 종래의 작동으로 되돌아가고, 수소 농도는 약 2vol% 이상으로 빠르게 증가했다(저전류 밀도에서).
8시간의 작동 후, 셀을 정지시키고 실험을 종료했다. 이 실험은 얇은 막을 갖는 PEM 전해조가 애노드에 액체 물을 공급한 셀과 동일한 성능으로 애노드 유입구에 공급된 가습된 공기만으로 작동할 수 있지만, 애노드에서 생산된 가스의 수소 농노가 현저히 낮아지는 것을 명백히 보여준다. 물이 캐소드에 공급되고 가습된 공기가 애노드에 공급되고 애노드 측에서 수소 농도가 낮을 때에, 높은 전류 밀도를 유지할 수 있다. 본 발명의 방법은 높은 효율과 함께 안전한 작동을 가능하게 하므로, 작동 및 장비 비용을 낮춘다.
도 6은 상이한 작동 조건에서 두꺼운 막과 얇은 막의 사용 사이에서 에너지 소비 차이를 나타냈다. 라인 A-D는 상이한 조건의 영향을 나타낸다.
A: 두꺼운 막(125미크론), 상업용 수 전해조 등가물. 캐소드 및 애노드의 물. 비효율적이지만 SAFE 작동(애노드에서 낮은 H2 농도)
B: 얇은 막(27.5미크론). 캐소드 및 애노드의 물: 매우 효율적이지만 UNSAFE 작동(얇은 막으로 인해 애노드에서 매우 높은 3.5vol% H2 농도)
C: 얇은 막(30미크론). 캐소드의 물 및 애노드의 가습된 공기: 효율적이고 SAFE 작동(희석으로 인해 애노드에서 낮은 H2 농도(검출 불가). 건조한 애노드로 인해 고전류에서 전압이 증가)
D: 얇은 막(30미크론). 캐소드에서 압력이 높고 애노드에서 가습된 공기를 갖는 물: 매우 효율적이고 안전한 SAFE 작동(더 높은 캐소드 압력에 의해 캐소드에서 애노드로 더 많은 물이 푸쉬됨으로써 희석 및 개선된 효율로 인한 낮은 H2 농도(검출 불가))
애노드 및 캐소드(최신 기술) 및 두꺼운 막, 라인 A 모두에 물을 사용할 때, 안전한 작동이 얻어지지만 공정은 매우 효율적이지 않다. 캐소드과 애노드 측 모두의 얇은 막 및 물을 사용하는 라인 B는 매우 효율적이지만 안전하지는 않고, 수소 농도는 O2에서 H2의 3vol% 이상으로 증가한다. 얇은 막을 사용할 때, 에너지 소비는 약 20% 감소한다.
본 발명에 따른 셀(라인 C 및 D)을 작동시킴으로써, H2의 농도는 낮은 레벨, 즉 0.5% 미만으로 유지되고, 셀은 최신 기술에 비해 더 높은 전류 밀도 및 더 낮은 에너지 소비로 작동될 수 있다.

Claims (10)

  1. 고분자 전해질막(PEM) 수 전해조 셀에서 수소를 생산하는 방법으로서,
    수 전해조 셀에 직류 전류를 인가하는 단계;
    캐소드 구획으로부터의 물 분자를 폴리머 전해질막을 통해 애노드 구획으로 확산시키는 단계;
    애노드 촉매층에서 물 분자를 프로톤, 산소 및 전자로 산화시키는 단계;
    폴리머 전해질막을 통해 프로톤을 캐소드 구획으로 이동시키는 단계;
    캐소드 촉매층에서 프로톤을 환원시켜 수소를 생산하는 단계;
    캐소드 구획에 물을 공급하는 단계: 및
    가습된 공기를 애노드 구획에 공급하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가습된 공기는 전해조의 공칭 작동 온도에서 75% RH 초과의 상대습도(RH)를 갖는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가습된 공기는 과포화 공기인 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    작동 중에, 상기 애노드 구획은 주위 압력보다 약간 높은 압력에서 작동되고, 상기 캐소드 구획은 상기 애노드 구획에서의 압력보다 0.5bar~35bar 더 높은 압력에서 작동되는 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가습된 공기는 유량 분배 매니폴드를 통해 및 애노드 바이폴라 플레이트 상의 유동장 패턴을 통해 공급되는 방법.
  6. 애노드 바이폴라 플레이트, 애노드 금속 다공성 수송층 및 애노드 촉매층을 포함하는 애노드 구획,
    캐소드 바이폴라 플레이트, 캐소드 금속 다공성 수송층 및 캐소드 촉매층을 포함하는 캐소드 구획을 포함하는, 수소를 생산하기 위한 고분자 전해질막(PEM) 수 전해조 셀로서,
    상기 애노드 촉매층 및 상기 캐소드 촉매층은 폴리머 교환막의 어느 한 측면 상에 코팅되어 있고,
    상기 캐소드 구획은 제 1 세트의 입구 및 출구 유량 분배 매니폴드를 통해 이온교환수가 공급되도록 구성되고, 상기 캐소드 바이폴라 플레이트는 제 1 유동장 패턴으로 설계되고,
    상기 애노드 구획은 제 2 세트의 입구 및 출구 유량 분배 매니폴드를 통해 가습된 공기가 공급되도록 구성되고, 상기 애노드 바이폴라 플레이트는 제 2 유동장 패턴으로 설계되는 PEM 수 전해조 셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 폴리머 전해질막은 50미크론 미만, 바람직하게는 5~49미크론 범위의 두께를 갖는 PEM 전해조 셀.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 폴리머 전해질막은 재조합 촉매를 추가로 포함하는 PEM 전해조 셀.
  9. 직렬로 연결된, 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재된 복수의 고분자 전해질막 수 전해조 셀을 포함하는 PEM 수 전해조 스택.
  10. 물 및 산소 관리 시스템;
    수소 가스 관리 시스템;
    물 투입 시스템;
    장착 및 포장 캐비닛 서브시스템;
    환기 시스템;
    전력 전자 및 전력 공급; 및
    시스템 제어 및 계측을 포함하는, PEM 수 전해조 시스템으로서,
    제 9 항에 기재된 고분자 전해질막 수 전해조 스택, 및 가습된 공기 공급 및 가습 시스템을 추가로 포함하는 시스템.
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