KR20240165275A

KR20240165275A - 전기화학 셀의 구축

Info

Publication number: KR20240165275A
Application number: KR1020240059733A
Authority: KR
Inventors: 아르트욤 말유쉬; 파트릭 보로브스키; 이네스 엘케만; 필립 로터스
Original assignee: 에보닉 오퍼레이션스 게엠베하
Priority date: 2023-05-15
Filing date: 2024-05-07
Publication date: 2024-11-22
Also published as: EP4464820A1; AU2024203129A1; CN118957616A; EP4464819A1; JP2024170371A; US20240384424A1

Abstract

본 발명은 애노드 (1), 캐소드 (2) 및 애노드 (1) 와 캐소드 (2) 사이에 배열된 음이온 전도성 막 (3) 을 포함하는 전기화학 셀 (0) 에 관한 것이다. 본 발명은 또한 물 (H2O) 의 전기화학적 분해에 의해 수소 (H2) 와 산소 (O2) 를 생성하는 공정에서 전기화학 셀 (0) 의 사용에 관한 것이다. 본 발명은 또한 다수의 셀들 (0) 을 갖는 전해조 (6) 및 전해조 (6) 를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 AEM 수전해가 산업적 규모로 수행될 수 있는 전기화학 셀 (0) 를 명시하는 것이다. 셀은 생산 비용이 저렴하고, 공간 절약형 방식으로 구축되어야 하며, 에너지 효율적으로 수소와 산소를 대량으로 생산할 수 있어야 한다. 그 목적은 애노드가 입자 경계들에서 함께 융합되는 입자들을 포함하는 제 1 다공성 소결체 (1) 로서 부분적으로 또는 전체적으로 이루어지고, 제 1 다공성 소결체가 막 (3) 과 직접 접촉하는 것에 의해 달성된다.

Description

전기화학 셀의 구축{CONSTRUCTION OF AN ELECTROCHEMICAL CELL}

본 발명은 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배열된 음이온 전도성 막을 포함하는 전기화학 셀에 관한 것이다. 본 발명은 또한 물의 전기화학적 분해에 의해 수소와 산소를 생산하는 공정에서 전기화학 셀의 사용에 관한 것이다. 본 발명은 또한 다수의 셀을 갖는 전해조 및 전해조를 제조하는 방법에 관한 것이다.

전기화학 셀은 전기화학 공정을 수행하는 데 사용된다. 매우 다른 목적을 갖는 다수의 전기화학 공정이 있다. 중요한 전기화학 공정은 화합물의 분해이다. 이 과정을 전기분해라고 한다.

전기분해의 수행을 위한 전기화학 셀의 산업적 구현을 전해조라고 한다. 전해조는 일반적으로 상호 연결된 다수의 전기화학 셀로 구성된다.

전기화학 셀은 애노드와 캐소드라는 최소한 두 개의 전극이 있다. 셀은 일반적으로 전기 절연 분리기에 의해 두 개의 구획으로 나누어진다. 애노드는 제1 "애노드" 구획에 존재하고, 캐소드는 제2 "캐소드" 구획에 존재한다. 2개의 전극 또는 구획은 분리기에 의해 서로 전기적으로 분리된다. 전기화학 셀은 전해질로 채워져 있다.

중요한 전기화학적 공정은 물의 전기화학적 분해에 의해 수소와 산소를 생산하는 것이다. 수전해의 한 변형은 분리기로 음이온 전도성 막(음이온 교환막, AEM)을 사용하는 것이 특징이다. 이는 일반적으로 AEM 수전해(AEMWE)라고 한다. 반응이 알칼리성 매질에서 일어나기 때문에 AEM 수전해는 종종 알칼리성 막 수전해라고도 한다.

AEM 수전해에서 전기화학 셀은 물 또는 기본 수계 전해질로 채워지고 애노드와 캐소드 사이에 전압이 가해진다. 캐소드측에서, 물(H₂O)은 수소(H₂) 및 수산화물 이온(OH^-)로 분해된다 (식 K). 음이온 교환막은 수산화 이온들을 애노드 쪽으로 운반하여, 여기서 그들이 산소(O₂)로 산화된다 (식 A). 이로 인해 애노드 측에서 산소가 발생하고 캐소드 측에서 수소가 발생한다. 결과적으로, 애노드 쪽을 산소 쪽, 캐소드 쪽을 수소 쪽이라고도 한다.

2H₂O + 2e^- → H₂ + 2OH^- (C) 환원/캐소드 반응

2OH^- → ½O₂ + H₂O + 2e^- (A) 산화/애노드 반응

설명된 효과를 허용하려면 막이 애노드와 캐소드 사이에서 수산화물 이온을 전도해야 한다. 동시에, 막은 애노드와 캐소드 사이에 전기적 단락이 발생하지 않도록 전기적으로 절연되어야 한다. 마지막으로, 음이온 전도성 막은 발생된 가스가 역혼합되지 않도록 가능하면 기밀성이 있어야 한다. 더욱이, 음이온 전도성 막은 AEM 수전해에 존재하는 알칼리성 조건을 견뎌야 한다. 이러한 특성은 특수 음이온 전도성 중합체(음이온 전도성 이오노머라고도 함)에 의해 충족된다.

반응을 가속화하기 위해, 촉매 활성 물질(전기촉매라고도 함)이 캐소드 측과 애노드 측 모두에 통합된다. 이는 촉매 활성층을 도입함으로써 달성된다. 이들은 목적을 위해 셀에 특별히 도입된 기질 물질이나 다공성 수송층(촉매 코팅 기질, CCS) 위에 존재할 수 있거나, 또는 막은 촉매 활성 물질(촉매 코팅 막, CCM)로 직접 코팅될 수 있다.

AEM 수전해에서, 전기분해를 위한 담수를 공급하고 이어서 수소와 산소 또는 이들로 농축된 물이나 전해질을 배출하기 위해 셀을 통한 물 또는 전해질의 흐름과 셀 밖으로의 가스 흐름이 이루어져야 한다. 이는 일반적으로 양호한 전기적 접촉을 가능하게 하기 위해 먼저 촉매 활성층에 밀접하게 인접한 다공성 수송층(PTL)에 의해 가능하게 된다; 그것은 제2로 전기 전도성이 있으며 가스의 외부 수송과 물 및 전해질 공급에 충분한 다공성을 가지고 있다. 셀을 통한 물이나 전해질의 수송을 향상시키기 위해 특정 채널 구조(유동장으로 알려짐)가 셀에 통합된다. 이 구조는 다공성 수송층과 전기적 접촉을 가져야 하고, 전기 전도성이어야 하며, 바이폴라 플레이트(BPP)와 전기적 접촉을 확립해야 한다. 바이폴라 플레이트는 인접한 두 셀을 전기적으로 연결한다. 특정 채널 구조는 종종 예를 들어 기계적 변형에 의해 바이폴라 플레이트에 직접 통합된다. 효율적인 수전해를 위해서, (i) 촉매 활성층과 다공성 수송층, (ii) 다공성 수송층과 유동장, (iii) 유동장과 바이폴라 플레이트의 접촉면에서의 접촉 저항이 가능한 한 낮게 유지되고 전해조의 작동 중에 접촉 표면의 산화로 인해 상승하지 않는 것이 특히 중요하다. 그렇지 않으면, 상승된 접촉 저항은 더 높은 셀 전압 및 더 낮은 효율로 이어지고, 더 높은 에너지 소비로 이어질 것이다.

현재 AEM 수전해에 사용되는 전기화학 셀의 구성 및 재료에 대한 훌륭한 개요는 다음에 의해 제공된다:

Miller, Hamish Andrew et al: Green hydrogen from anion exchange membrane water electrolysis: a review of recent developments in critical materials and operating conditions. Sustainable Energy Fuels, 2020, 4, 2114 DOI: 10.1039/c9se01240k

수전해용 전해조 개발의 일반적인 목적은 공정의 효율성 향상과 전해조 제조 비용의 절감이다.

Miller 등이 인용한 리뷰에서는 니켈 폼이 전극 재료로 언급되었다. 폼은 다공성 구조이다.

EP 3453785 A1은 염기성 수전해용 전기화학 셀을 기술한다. 그것은 단락 [0022] 에서 부분적으로 금속 부직포 또는 금속 폼으로 만들어진 피더 층(17)을 갖는 애노드를 개시한다. 단락 [0023]에 규정된 재료는 니켈 또는 스테인레스강이다. 부직포와 막(13) 사이에 또 다른 촉매층(15)이 배열된다; 도 1과 단락 [0015] 및 [0027] 참조. 전기화학 셀의 전극-촉매층-막-촉매층-전극 샌드위치 구조(단락 [0053] 참조)는 공간을 매우 많이 차지한다. 이는 많은 그러한 셀들이 전해조에서 연결되어야 하는 경우 특히 불리하다. 이 경우 전해조가 차지하는 공간뿐만 아니라 셀 스택의 내부 저항도 증가하게 된다. 이것은 공정의 에너지 효율을 감소시킨다. EP 3453785 A1에 표시된 전기화학 셀의 좋은 특징은 유체 관리이다: 구획으로의 물 흐름과 구획으로부터의 가스 유출을 개선하기 위해, 막은 채널이 제공된다; 단락 [0054]. 따라서 이 전기화학 셀은 원칙적으로 산업용 수전해에 적합한 것으로 보인다. 단점은 공간을 많이 차지하는 층 구조와 촉매층 통합으로 인해 발생하는 높은 생산 비용이다. 이들은 전기촉매 역할을 하는 귀중한 금속을 함유하고 있다; 단락 [0029] 참조.

WO 2020260370 A1은 하나의 구획이 건식으로 작동될 수 있는 전기화학 셀을 설명한다. 5 페이지에는 니켈 부직포 또는 폼 상의 CCS 가 언급되어 있다. 그러나 CCS 는 항상 촉매층을 가지고 있다. 구리-코발트 산화물과 같은 금속 산화물은 위 6 페이지의 애노드용 전기촉매로 권장된다. 그러나, WO 2020260370 A1 의 6 페이지는 비용상의 이유로 Pt 촉매를 사용하지 말 것을 권고한다.

WO 2016142382 A1 은 캐소드(광전극(2)의 부식 방지층(15)), 음이온 전도성 막(2) 및 애노드(상대전극(3))을 갖는 (광)전기화학 셀의 실시형태 I 을 도 2에 개시한다. 애노드(3)과 막(2) 사이에 다공성 니켈 함유 구조(5A)가 배열된다. 다공성 니켈 함유 구조(5A)는 니켈 섬유 또는 스테인레스강 섬유로 구성될 수 있다. 니켈 폼도 생각해 볼 수 있다(12페이지). 도 2에 도시되고 17페이지에 설명된 대로 애노드(상대 전극 3)은 막으로부터 이격되어 있다. 그 사이에 다공성 니켈 함유 구조(5A)가 배치된다. 이 셀의 단점은 부피가 큰 층 구조이다.

더욱 슬림한 솔루션은 다공성 니켈 함유 구조를 필요로 하지 않는 WO 2016142382 A1의 실시형태 II 이다. 유체 전도에 필요한 다공성은 막에서 구현된다. 광전기화학 셀에는 통합된 전압원(즉, 광전극)이 있으므로 수전해에 사용할 수 있는 전기 에너지는 제한된다. 순수 광 구동의 경우 전기 분해 용량이 낮다. 외부 전기 에너지를 사용하는 산업용 수전해에서, 다량의 기체 수소와 산소가 발생하며, 이는 셀 외부로 전도되어야 한다. 실시형태 II 의 막에 통합된 다공성 구조는 이러한 양의 가스에 맞게 설계되지 않았다. 그럼에도 불구하고 실시형태 II 에서의 구축은 산업 규모의 전해조의 컴팩트한 설계에 비해 너무 크다.

출원 당시 아직 공개되지 않았던 EP4181240 A1은 또한 니켈을 포함하는 텍스타일 전극을 갖는 수전해에 사용되는 전기화학 셀에 관한 것이다. 텍스타일 전극은 막에 직접적으로 인접해 있다.

이러한 선행 기술과 관련하여, 본 발명의 목적은 AEM 수전해가 산업적 규모로 수행될 수 있는 전기화학 셀을 명시하는 것이다. 셀은 생산 비용이 저렴하고, 공간 절약형 방식으로 구축되어야 하며, 에너지 효율적으로 수소와 산소를 대량으로 생산할 수 있어야 한다.

이러한 목적은 청구항 1 에 따른 전기화학 셀에 의해 달성된다.

따라서 본 발명은 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 음이온 전도성 막을 포함하는 알칼리성 막 수전해용 전기화학 셀을 제공하며, 여기서 애노드는 입자 경계에서 함께 융합되는 입자들을 포함하는 제1 다공성 소결체로서 부분적으로 또는 전체적으로 이루어지고 (executed), 제1 다공성 소결체는 막과 직접 접촉하고 있다.

본 발명의 중요한 발견은 소결체 형태의 다공성 구조가 전극으로 적합할 뿐만 아니라 동시에 전해질 및/또는 방출된 가스에 대한 다공성 수송층의 기능을 할 수도 있다는 것이다: 소결체는 개별 입자 사이에 공동이 있기 때문에 기본적으로 다공성이다. 이는 알갱이들이 모양이 불규칙하고 때로는 특정한 곳에서만 융합되기 때문이다. 물이나 전해질은 이러한 공동으로 침투하여 전극 재료와 접촉할 수 있다. 이는 반응물이 소결체의 다공성 공동을 통해 촉매 활성 중심에 직접 도달하는 것을 가능하게 한다. 발생된 가스도 마찬가지로 공동을 통해 빠져나갈 수 있다. 따라서 소결체는 전기화학적 기능뿐만 아니라 유체 기능도 수행한다. 유체 전도성 특성으로 인해 다공성 전극은 막과 직접 접촉할 수 있다. 이는 소결체가 평면 방식으로 막에 직접 인접해 있음을 의미한다. 따라서 애노드와 막 사이에 촉매층이 배열되지 않는다. 따라서 막과 소결체 사이, 바람직하게는 막과 전극 사이의 전체 계면에 걸쳐 직접적인 기계적 접촉이 존재한다. 그러나 막은 전기 전도성이 아니기 때문에 전기적 의미에서 접촉에 대한 문제는 없을 수 있다. 소결체의 유체 전도성 특성으로 인해, 본 발명의 전기화학 셀은 추가적인 다공성 수송층 없이 작동할 수 있다. 이는 일반적으로 사용되는 개별 구성요소 사이에 접촉 저항이 없기 때문에 셀의 전기적 내부 저항을 감소시킨다. 그럼에도 불구하고 전해질과 가스를 셀 안팎으로 전도하는 전기화학적 전지 유동장들로 통합하는 것이 필요할 수 있다. 그러나 유동장은 막과 반대 방향으로 위치되며; 바람직하게는 유동장은 바이폴라 플레이트 또는 엔드 플레이트에 통합된다. 유동장은 소결체의 기공에 비해 유동 단면적이 훨씬 더 크다.

소결체는 선형 텍스타일 구조, 즉 섬유, 실, 스레드 또는 와이어로 구성되지 않는다는 점에서 알려진 텍스타일 구조와 다르다. 대신에 소결체는 입자로 형성된다.

소결체는 적어도 입자 경계에서 연결된 장소들에 있는 입자로 형성된다는 점에서 알려진 금속 폼과 다르다. 따라서 소결체는 일체형이 아니다. 반면, 금속폼은 기체상이 분산되는 모노리딕 금속 분산상을 갖는다. 소결체의 기공은 일반적으로 개별 입자보다 훨씬 작다. 대조적으로 금속 폼은 금속 상에 비해 상대적으로 큰 기공을 가지고 있다.

특히 바람직한 실시형태에서, 소결체의 입자는 촉매 활성 물질로 구성되거나 적어도 이를 포함한다. 이러한 맥락에서 "촉매 활성"은 물질이 전기화학 셀에서 수행되고 있는 전기화학 반응을 가속화할 수 있음을 의미한다. 따라서 촉매 활성 물질은 전기촉매이다.

촉매 활성 소결 재료를 사용하면 소결 재료 입자에 존재하는 촉매 활성 중심과 반응물이 특히 긴밀하게 접촉할 수 있다. 따라서 전기화학적 반응은 막에 매우 가까운 곳에서 수행될 수 있으며, 이는 형성되는 이온이 막을 통해 반대쪽 구획으로 직접 통과할 수 있음을 의미한다.

전기촉매 활성인 물질은 일반적으로 전이 금속을 포함한다. 전이 원소는 본 발명의 목적을 위한 것이다: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ac, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg. 전이 원소를 포함하는 소결 재료는 전이 원소가 없는 소결 재료보다 전기촉매 활성이 더 높다. 더욱이, 전이 금속의 비교적 양호한 전기 전도도는 전기화학 셀의 내부 전기 저항을 낮춘다.

매우 특히 바람직하게는 니켈이 전기촉매 활성 물질로 사용된다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태에서 소결체의 입자는 니켈을 포함하거나 니켈로 구성된다. 그러면 입자 자체가 전기촉매적으로 활성이 된다.

니켈은 특히 수전해에서 우수한 촉매 특성을 지닌 비교적 저렴한 전이금속이다. 더욱이, 애노드으로 쉽게 소결될 수 있는 일부 니켈 함유 물질이 있다. 이러한 재료에는 순수 니켈, 특히 Hastelloy, Chronin, Monel, Inconel, Incoloy, Invar, Kovar와 같은 니켈 함유 합금; 니켈을 함유한 강철, 니켈을 함유한 스테인리스강, 및 AISI 301, AISI 301L, AISI 304, AISI 304L, AISI 310, AISI310L, AISI316, AISI 316L, AISI 317, AISI 317L 및 AISI 321 강철 유형의 강철이 포함된다.

따라서, 본 발명의 특히 바람직한 실시형태에서, 애노드는 적어도 부분적으로 제1 소결체로서 이루어지며, 그 입자는 니켈 함유 재료로 구성된다.

본 발명의 전기화학 셀의 추가 장점은 기판 또는 전극 (CCS) 상에 또는 막 (CCM) 상에 직접 전기촉매를 고정화하기 위한 이오노머 (종종 바인더라고도 함) 가 절대적으로 필요하지 않다는 점이다. 전기분해 중에 형성된 산소는 매우 활성이며 이오노머를 화학적으로 공격(산화)할 수 있으며, 이는 이오노머의 기계적 특성을 손상시키고 전기촉매의 분리를 유발할 수 있다. 그러면 이는 필요한 셀 전압의 증가 및 상승된 에너지 소비로 이어진다. 그러나, 소결체 자체가 전기촉매적으로 활성인 경우, 촉매 분리의 위험이 적다. 결과적으로, 전기화학 셀의 제안된 구조는 제조 비용을 절감하고, 낮은 전기 저항으로 인해 에너지 효율적인 공정을 가능하게 한다.

소결된 구조의 장점을 고려할 때, 애노드는 다공성 소결체 형태로 전체적으로 이루어지는 것이 바람직하다. 그러나, 부분적으로만 다공성 소결체 형태로 이루어지고 그렇지 않으면 비소결 재료로 구성되는 애노드를 사용하는 것도 생각할 수 있다. 여기서 비소결이란 인식할 수 있는 입자 경계가 없음을 의미한다. 따라서, 소결체는 또한 고체 판상에, 또는 편평하거나 성형된 금속 시트상에, 또는 금속 폼, 확장된 금속 또는 확장된 금속 메쉬와 같은 상이한 다공성 구조상에 장착될 수 있다.

바람직하게는, 제1 소결체에는 소결체의 재료와 상이한 촉매 활성 코팅이 없다. 이 경우 애노드 반응의 촉매작용은 소결체에 존재하거나 소결체의 그레인을 구성하는 전기촉매 활성 물질에 의해서만 영향을 받는다.

애노드으로 사용되는 제1 다공성 소결체의 다공성 P 는 5% 내지 60% 또는 15% 내지 45% 여야 한다. 다공성 P 는 여기서 다음의 식에 따라 결정된다:

P = 1-ρ_V /ρ_M.

이 공식에서, ρ_V 는 다공성 소결체의 부피 밀도이고, ρ_M 은 입자의 고체 밀도이다. ρ_V 는 전체 소결체의 거시적 밀도를 설명하는 반면, ρ_M 은 입자를 구성하는 소결 재료의 미시적 밀도를 설명한다.

폼과 비교하면 소결체는 다공성이 상당히 낮다: 니켈 폼의 다공성은 일반적으로 80% 내지 90% 사이에서 다양하다; 다음의 표 1 참조:

Rocha Fernando et al.: Effect of pore size and electrolyte flow rate on the bubble removal efficiency of 3D pure Ni foam electrodes during alkaline water electrolysis. Journal of Environmental Chemical Engineering, vol. 10, No. 3, 1 April 2022 (2022-04-01) , page 107648 ISSN: 2213-3437, DOI: 10 .1016/3.jece.2022.107648

가장 간단한 경우, 제1 소결체 내의 다공성은 모든 곳에서 동일하다. 바람직하게는, 제1 소결체 내의 다공성은 구체적으로 제1 다공성 소결체와 막 사이의 계면에 수직으로 배치된 (가상) 구배를 따라 변할 수 있다. 다공성 P 는 제1 소결체가 막에서 멀리 떨어진 애노드 측보다 막과의 계면에서 더 낮은 다공성을 갖도록 막 방향으로 감소해야 한다. 이는 촉매 활성 중심이 막에 집중되어 있어 전기화학 반응이 그곳에서 특히 강렬하다는 것을 의미한다. 이는 애노드에서 생성된 이온의 경로를 단축시킨다.

바람직하게는, 제1 다공성 소결체의 기공은 제1 다공성 소결체의 입자보다 작다. 이는 기공이 고체 물질보다 큰 폼과 비교했을 때 큰 차이점이다. 크기 차이는 광학 현미경에 의해, 즉 제1 다공성 소결체의 단면을 관찰함으로써 쉽게 추정될 수 있다. 소결체의 기공 크기는 무작위적인 분포를 보인다. 기공 크기는 통상 1 μm 내지 200 μm 이다. 소결체의 기공 크기는 또한 1mm 범위의 일반적인 유동장의 유동 단면적보다 훨씬 작다.

소결체의 입자 크기는 마찬가지로 무작위적인 분포를 보인다. 기공 크기와 입자 크기의 차이를 평가하는 것은 극값을 비교하는 문제가 아니라 중앙값을 비교하는 문제이다: 중앙값 기공 크기가 중앙값 입자 크기보다 작은 경우, 개개의, 매우 큰 기공이 매우 작은 입자보다 크면 해롭지 않다. 소결체의 기공 크기가 입자 크기보다 작은 특성은 통계적으로 중앙값 기공 크기가 중앙값 입자 크기보다 작다는 것을 의미한다.

제1 다공성 소결체는 또한 적어도 2개의 층으로부터 형성될 수 있으며, 여기서 2개의 층은 서로 다른 다공성을 갖거나 서로 다른 입자 크기의 입자로 구성된다. 다공성이 더 낮거나 더 미세한 입자로 구성된 층은 다공성이 더 높거나 더 거친 입자로 구성된 층보다 막에 더 가깝게 배열되어야 한다. 이의 효과는 전극의 다공성이 막 쪽으로 감소하는 것이며, 즉, 전극이 더 조밀해지고 더 미세한 입자로 구성된다. 이는 막 가까이에 촉매 활성 부위의 밀도가 더 높아야 하는 반면, 막에서 멀어지면 물이나 전해질 및 형성된 가스에 대한 더 큰 투과성이 필요하기 때문에 권장된다. 3개 이상의 층들, 예를 들어 3 개, 4 개, 5 개 또는 6 개의 층들로 소결체를 형성하는 것도 가능하다. 개별 층의 다공성 또는 소결된 입자의 입자 크기는 막 방향으로 층마다 단계적으로 감소한다. 이로써 위에서 이미 언급한 구배가 실현된다. 소결된 층은 입자 경계를 통해 서로 결합될 수 있으며, 그 결과 층 구조에도 불구하고 소결체가 단일 구성요소로 취급될 수 있다. 이는 셀의 조립을 용이하게 한다.

본 명세서에 기술된 니켈 함유 소결체는 캐소드로서도 적합하므로, 애노드뿐만 아니라 캐소드도 소결된 촉매 활성 물질로부터 제조되는 것이 고려될 수 있다. 따라서, 전기화학 셀의 바람직한 개발에서, 캐소드는 입자 경계에서 함께 융합되는 입자를 포함하는 제2 다공성 소결체로서 부분적으로 또는 전체적으로 이루어진다.

캐소드과 애노드으로 사용되는 소결체를 구별하기 위해, 여기서는 애노드에 대해 "제1 다공성 소결체” 라는 용어가 사용되고, 캐소드에 대해 "제2 다공성 소결체” 라는 용어가 사용된다.

캐소드 측에서는, 소결 물질에의 촉매 활성의 통합은 반드시 필요한 것은 아니다. 그럼에도 불구하고, 제2 소결체에도 촉매 활성 물질이 사용되는 경우가 바람직하다. 애노드 측과 동일한 재료가 여기에 적합하다. 가장 간단한 경우에는 애노드 측과 캐소드 측 모두에 동일한 재료가 사용된다. 그러나, 이는 반드시 그럴 필요는 없다. 따라서 1차 소결체와 2차 소결체를 구분하는 것이 적절하다. 바람직하게는, 캐소드는 전체적으로 다공성 소결체로서 이루어진다.

제2 다공성 소결체뿐아니라, 캐소드으로서의 전기화학적 기능은 다공성 수송 층의 기능을 수행한다.

전기화학 셀은 캐소드 측에서 두 가지 변형으로 구성될 수 있다:

제1 변형에서, 캐소드(수소 측, 특히 제2 다공성 소결체로 이루어짐)는 막과 직접 접촉한다. 이 경우 막 자체가 촉매 활성 물질(전기촉매)로 코팅되지 않은 경우, 이는 촉매 활성 물질이 캐소드에 적용되었거나 캐소드 물질 자체가 촉매 활성이어야 한다.

제2 변형에서, 촉매 활성층(전기촉매)은 캐소드(수소 측, 특히 제2 다공성 소결체로서 이루어짐)와 막 사이에 배열된다. 그러면 제2 소결체가 형성되는 입자들은 반드시 촉매 활성이거나 촉매 활성 물질로 코팅될 필요는 없다. 이 경우 제2 소결체의 입자들은 촉매 활성층(전기촉매)과 유동장 또는 바이폴라 플레이트 사이의 전기적 접촉을 허용하기 위해 단지 전기 전도성이어야 한다. 이러한 구조는 입자에 통합될 수 없거나 입자가 그로부터 생성되는 것이 가능하지 않거나, 지속적인 안정성을 갖는 방식으로 제2 다공성 소결체에 적용될 수 없거나, 소결된 물질 자체보다 또는 전해조 작동 중 입자 표면에 형성된 촉매 활성 물질보다 더 높은 촉매 활성을 갖는 전기촉매가 사용되어야 하는 경우에 유리하다.

위에서 이미 언급한 바와 같이, 캐소드와 막 사이에 촉매층을 갖는 본 발명의 변형은 제2 소결체에 용이하게 적용될 수 없는 전극촉매를 함유할 수 있다는 이점을 갖는다. 따라서, 촉매층은 Pt, Ru, Pd, C, Ni, Mn, Mo, Co, Cu, Fe, Cr과 같은 원소를 포함하는 촉매 활성 입자(전기촉매)를 함유할 수 있다.

전기촉매의 촉매 활성 입자가 음이온 전도성 중합체에 매립되는 경우 특히 유리하다. 이 경우 촉매층은 적어도 촉매 활성 입자와 음이온 전도성 중합체로 구성된다. 이온 전도성 중합체를 이오노머라고 한다. 음이온 전도성 이오노머에의 촉매 활성 입자의 매립은 캐소드에서 물이 환원되는 동안 형성된 수산화물 이온이 반응 직후 막으로 전도되는 것을 가능하게 한다. 음이온 전도성 중합체가 막 표면에 대한 접착력이 매우 좋고 수산화물 이온을 매우 잘 전도하는 경우 매우 특히 바람직하다. 이 경우, 촉매 입자와 막의 특히 효과적인 통합 및 막에 대한 촉매 입자의 특히 양호한 이온 결합이 존재한다.

그러나, 공지된 CCM 설계(양면이 전기촉매로 코팅된 막)와 대조적으로, 본 발명 구조의 막은 기껏해야 캐소드, 수소 생성 측에 촉매층이 제공된다. 그것은 애노드, 산소 생성 측에는 촉매층이 없다; 전기촉매는 소결된 애노드 물질에 통합된 산소 측에 있다. 결과적으로, 캐소드 측에만 촉매층을 갖는 변형은 "반-CCM 셀"로 간주될 수 있다.

음이온 전도성 막을 형성하는 분리 활성 물질도 음이온 전도성 이오노머이다. 원칙적으로, 모든 음이온 전도성 이오노머는 본 발명의 전기화학 셀에 포함될 수 있으며, 거기서 분리 활성 막 물질의 기능을 취하고/하거나 촉매 활성 입자의 고정화에 사용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 막은 수소 측에 촉매를 고정시키는 촉매 활성 코팅과 동일한 음이온 전도성 중합체를 포함한다. 촉매층의 이오노머와 막의 이오노머는 음이온 전도성 중합체에서 적어도 동일한 반복 단위를 가져야 하며; 사슬 길이는 다를 수 있다.

구조식 (I), (II) 또는 (III)을 따르는 음이온 전도성 중합체를 사용하는 것이 특히 바람직하다.

구조식 (I), (II) 또는 (III)의 이오노머의 일반적인 장점은 우수한 이온 전도성, 알칼리 매질에서의 높은 팽윤 저항성 및 낮은 합성 비용이다.

구조식 (I), (II) 또는 (III)의 이오노머는 막 제조에 사용될 수 있거나 촉매 활성층 또는 비활성 소결 물질에 전기촉매를 고정시키기 위한 바인더로 사용될 수 있다.

구조식 (I)의 음이온 전도성 중합체는 다음과 같이 정의된다:

(I)

여기서, X 는 C¹ 및 C² 에 부착되고 1 내지 12, 바람직하게는 1 내지 6, 더욱 바람직하게는 1 또는 5 개의 탄소 원자를 포함하는 1 또는 2 개의 탄화수소 라디칼들에 2 개의 결합을 통해 부착되는 양전하를 갖는 질소 원자를 포함하는 구조 원소이고, Z 는 C³ 및 C⁴ 에 부착되고 산소 원자들 중 하나에 직접 부착된 적어도 하나의 방향족 6원 고리를 포함하는 탄소 원자를 함유하는 구조 원소이고, 여기서, 방향족 6원 고리는 하나 이상의 할로겐 라디칼 및/또는 하나 이상의 C₁ 내지 C₄ 알킬 라디칼로 치환될 수 있다.

구조식 (I) 의 이오노머의 제조가 WO 2021/013694 A1 에 설명되어 있다.

구조식 (II)의 음이온 전도성 중합체는 다음과 같이 정의된다:

(II)

여기서 X 는 C¹ 및 C² 에 부착되고 1 내지 12개, 바람직하게는 1 내지 6개, 더욱 바람직하게는 1 또는 5개의 탄소 원자를 함유하는 1개 또는 2개의 탄화수소 라디칼에 2개의 결합을 통해 부착되는 양전하를 띤 질소 원자를 포함하는 구조 요소이고,

여기서 Z 는 C³ 및 C⁴ 에 부착되고 산소 원자들 중 하나에 직접 부착된 적어도 하나의 방향족 6원 고리를 포함하는 탄소 원자를 포함하는 구조 요소이며, 여기서 방향족 6원 고리는 3 및 5 위치에서 동일하거나 상이한 C₁ 내지 C₄ 알킬 라디칼로, 특히 메틸, 이소프로필 또는 tert-부틸 기, 바람직하게는 메틸 기로 치환될 수 있다.

구조식 (II) 의 이오노머의 제조가 EP4032934A1 에 설명되어 있다.

구조식 (III) 의 음이온 전도성 중합체는 다음과 같이 정의된다:

(III)

여기서 X 는 케톤 또는 설폰 기이고;

Z 는 적어도 하나의 3차 탄소 원자 및 적어도 하나의 방향족 6원 고리를 함유하는 구조 요소이고, 여기서 방향족 6원 고리는 2개의 산소 원자 중 하나에 직접 부착되며;

Y 는 양전하를 갖는 적어도 하나의 질소 원자를 함유하는 구조 요소이고, 여기서 이러한 질소 원자는 구조 요소 Z 에 부착된다.

구조식 (III) 의 이오노머의 제조가 EP4059988A1 에 설명되어 있다.

전기화학 셀에 다공성 소결체(전극)가 1개 또는 2개 있는지 여부에 관계없이, 제1 소결체 및/또는 제2 소결체가 막에서 먼 쪽에서 바이폴라 플레이트과 접촉하는 경우 유리하다. 여기서 "접촉하는” 은 바이폴라 플레이트가 전기 전도성이기 때문에 기계적 의미뿐만 아니라 전기적 의미도 의미한다. 접촉은 전체 영역에 걸쳐 이루어지는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 전극과 바이폴라 플레이트 사이의 셀에 추가 물질이 통합되지 않는 직접적인 접촉이 고려된다. 이는 셀을 특히 컴팩트하고 비용 효율적으로 만든다. 그러면 다공성 소결체의 유체 전도 기능이 최적으로 사용된다. 바이폴라 플레이트는 인접한 전기화학 셀와 전기적 접촉을 생성하는 데 사용될 수 있다. 이를 통해 직렬로 연결된 여러 개의 전기화학 셀을 쌓아 공간을 절약할 수 있다; 이하 참조.

바이폴라 플레이트는 바람직하게는 다음 재료 중 하나로 구성된다: 니켈; Hastelloy, Chronin, Monel, Inconel, Incoloy, Invar, Kovar 와 같은 니켈 함유 합금; 니켈 함유 강, 니켈 함유 스테인레스 강, AISI 301, AISI 301L, AISI 304, AISI 304L, AISI 310, AISI310L, AISI316, AISI 316L, AISI 317, AISI 317L 및 AISI 321 유형의 강; 니켈 도금 강철, 니켈 도금 스테인레스 스틸, 니켈 도금 티타늄, 니켈 도금 황동, 니켈 도금 알루미늄, 니켈 도금 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체 및 탄소.

여기에 제시된 전기화학 셀은 알칼리성 수전해(AEM 수전해)에 사용하도록 최적화되어 있다. 따라서 본 발명은 다음 공정 단계를 갖는 물의 전기화학적 분해를 통해 수소와 산소의 생산을 제공한다:

a) 애노드, 캐소드 및 애노드와 캐소드 사이에 배치된 음이온 전도성 막을 포함하는 적어도 하나의 전기화학 셀을 제공하는 단계, 여기서 애노드는 입자 경계에서 함께 융합되는 입자들을 포함하는 제1 다공성 소결체로서 적어도 부분적으로 이루어지고, 제1 다공성 소결체는 막과 직접 접촉하며;

b) pH 가 7 내지 15 인 수성 전해질을 제공하는 단계;

c) 전압원을 제공하는 단계;

d) 제1 소결체 및/또는 캐소드를 전해질과 접촉시키는 단계;

e) 전압원으로부터 인출된 전압을 애노드 및 캐소드에 인가하는 단계;

f) 제1 다공성 소결체로부터 산소 기체 및/또는 산소가 용해된 전해질을 배출시키는 단계;

g) 전기화학 셀로부터 수소 기체 및/또는 수소가 용해된 전해질을 배출시키는 단계;

h) 선택적으로, 제1 다공성 소결체에 의해 배출된 전해질로부터 산소를 분리하는 단계;

i) 선택적으로 셀에서 배출된 전해질로부터 수소를 분리하는 단계;

여기서 사용되는 전해질은 전기분해될 물을 함유하고 있다. 전해질의 pH는 물에 NaOH, KOH 등의 알칼리성 물질을 첨가하여 염기성 영역(pH 7~pH 15)으로 조절된다. 따라서 전해질 내의 물은 수전해에서 분해되어 전해질에 지속적으로 공급된다.

이 공정은 습식 및 반건식의 두 가지 변형으로 운영될 수 있다. 습식 변형에서는 두 구획 모두 전해질로 충전된다. 반건식 작동 모드에서는 두 구획 중 하나만 애노드 측(상황 1) 또는 캐소드 측(상황 2)에서 전해질로 충전된다.

습식 버전에서는 두 구획 모두 막의 양측에서 수성 염기성 전해질에 적셔진다. 수소는 캐소드 측의 수성 전해질에 축적되고, 산소는 애노드 측의 수성 전해질에 축적된다. 가스가 전해질에서 저절로 기포가 발생하지 않으면 두 구획에서 전해질을 뽑아내고 원하는 가스를 제거한다.

실제로, 형성된 가스의 일부가 저절로 다공성 소결체로부터 빠져나오고, 다른 부분은 물에 용해되어 남아 있어 별도의 작업으로 분리되어야 하는 혼합 형태도 있을 수 있다.

습식 공정 변형과 달리, 반건식 변형에서는 애노드 측(애노드, 상황 1) 또는 캐소드 측(캐소드, 상황 2)만 염기성 전해질로 적셔진다. 캐소드 또는 애노드 구획은 건조한 상태로 유지된다. 거기에서, 수소 가스 또는 수소가 풍부한 염기성 전해질 또는 산소 가스 또는 산소가 풍부한 염기성 전해질이 제2 다공성 소결체(캐소드) 또는 제1 다공성 소결체(애노드)로부터 인출된다. 상황 1 에서는 습식 변형의 경우와 마찬가지로 염기성 전해질로 채워진 애노드 구획에 산소가 축적된다. 상황 2 에서는 습식 변형의 경우처럼 염기성 전해질로 채워진 캐소드 구획에 수소가 축적된다.

두 가지 반건식 변형의 장점은 염기성 전해질과 수소(상황 1) 또는 산소(상황 2)를 분리할 필요가 없다는 것이며, 이는 대응하는 전극이 염기성 전해질에 적셔지지 않아 형성된 가스가 물을 거의 포함하지 않기 때문이다. 애노드 측에만 물을 사용하는 반건식 AEM 공정(상황 1)의 기본 아이디어는 WO 2011/004343 A1에 설명되어 있다.

따라서 반건식 공정(상황 1)에서는 제2 다공성 소결체가 적셔지고 수소가 분리될 필요가 없다. 형성된 수소는 캐소드 구획에서 기체 형태로 직접 존재한다.

실제로, 상황 1 에서, 산소의 일부가 저절로 제1 다공성 소결체로부터 빠져나오고, 다른 부분은 물에 용해되어 남아 있어 별도의 작업으로 분리되어야 하는 혼합 형태도 있을 수 있다. 그러나 수소 회수가 유일한 목적이라면, 제1 다공성 소결체에서 빼낸 전해질에서 산소를 분리하지 않아도 된다. 산소는 전해질에 남아 있다. 이 절차는 전해질에서 수소와 산소를 분리할 필요가 없기 때문에 특히 에너지 효율적이다.

캐소드측(캐소드, 상황 2)만 염기성 전해질에 적셔지는 방식으로 전기분해가 실행되는 경우 별도의 산소 분리가 생략될 수 있다.

실제로, 상황 2 에서도, 수소의 일부가 저절로 제1 다공성 소결체로부터 빠져나오고, 다른 부분은 전해질에 용해되어 남아 있어 별도의 작업으로 분리되어야 하는 혼합 형태도 있을 수 있다.

여기에 제시된 모든 공정 변형에 공통적인 점은 소결체의 다공성 구조가 전기촉매의 촉매 활성 중심으로 반응물을 전도하는 데 활용된다는 것이다. 본 발명에 따른 모든 경우에 다공성 소결체는 유체 전도체의 기능을 수행한다. 실시형태(습식, 반건조 상황 1, 반건조 상황 2)에 따라, 다공성 소결체에서 전도되는 유체는 액체 전해질, 수소가 용해된 액체 전해질, 산소가 용해된 액체 전해질, 산소 기체 또는 수소 기체이다. 또한 유체는 언급된 기체와 액체로 구성된 다수의 상들을 포함할 수 있다.

여기에 제시된 전기화학 셀의 구조의 특별한 장점은 구조적 변경이 필요 없이 다양한 공정 변형에 사용될 수 있다는 것이다. 결과적으로, 전기화학 셀의 제조업체는 한 가지 설계의 셀만 생산하면 되고, 셀의 사용자는 자신의 응용 분야에 가장 비용 효과적인 공정 변형(습식, 반건식 등)을 결정할 수 있다. 복잡성이 감소하면 셀 생산 비용이 크게 낮아질 수 있다.

여기에 제시된 모든 프로세스 변형은 바람직하게는 연속적으로 실행된다. 이는 수성 염기성 전해질이 지속적으로 공급되고 가스 또는 산소 및/또는 수소가 풍부한 전해질이 연속적으로 배출된다는 것을 의미한다. 전해질의 지속적인 공급은 전기분해로 인한 내부에 존재하는 물의 손실을 보상한다. 그렇지 않으면 시간이 지남에 따라 물이 완전히 전기분해되어 전해질이 손실된다. 그러면 전기화학 반응이 중단된다. 전기화학 셀이 전해질로 완전히 채워지거나 적어도 애노드 구획이 채워지고 이를 셀 또는 애노드 구획이 빌 때까지 전기분해하는 배치 (batch) 공정이 고려될 수 있지만, 이는 산업적 규모에서는 바람직하지 않다.

본 발명의 프로세스는 바람직하게는 공통 바이폴라 플레이트를 공유하는 본 발명의 전기화학 셀을 2개 이상 포함하는 전해조에서 수행된다. 이는 바이폴라 플레이트가 전해조의 제1 전기화학 셀의 애노드와 그리고 동시에 전해조의 제2 전기화학 셀의 캐소드과 접촉한다는 것을 의미한다. 이 경우 인접한 두 셀은 직렬로 연결된다. 그러한 전해조는 또한 본 발명에 의해 제공된다.

인접한 셀이 각각 바이폴라 플레이트를 공유하는 전해조의 장점은 컴팩트한 스택 구성 및 이로 인해 작은 구성 크기이다. 바람직하게는, 전해조는 공통 바이폴라 플레이트를 공유하는 3개 이상의 인접한 셀을 포함한다. 개별 전기화학 셀의 크기와 필요한 출력에 따라 바이폴라 플레이트를 통해 최대 250개의 셀을 하나의 전해조에 쌓을 수 있다.

본 발명의 전해조의 또 다른 장점은 고도의 자동화로 제조될 수 있다는 점이다: 이것은 전기화학 셀의 개별 구성요소를 로봇을 이용해 매우 효율적으로 적층할 수 있기 때문이다. 이것은 전해조의 생산 비용을 더욱 감소시킬 수 있다.

본 발명은 마찬가지로 생산 과정에서 다음 구성요소가 이 순서로 서로 직접 적층될 때 공통 바이폴라 플레이트를 공유하는 본 발명의 적어도 2 개의 전기화학 셀을 포함하는 전해조를 생산하는 프로세스를 제공한다.

이 프로세스 순서에서, 적층은 애노드에서 캐소드으로 이루어진다.

a) 제1 다공성 소결체;

b) 음이온-전도성 막;

c) 선택적으로 촉매층;

d) 캐소드;

e) 바이폴라 플레이트;

f) 제1 다공성 소결체;

g) 음이온-전도성 막;

h) 선택적으로 촉매층;

i) 캐소드.

캐소드에서 애노드까지 적층하는 것도 동일하게 가능하다. 적층 순서는 그러면 다음과 같다:

a) 캐소드;

b) 선택적으로 촉매층;

c) 음이온-전도성 막;

d) 제1 다공성 소결체;

e) 바이폴라 플레이트;

j) 캐소드;

k) 선택적으로 촉매층;

l) 음이온-전도성 막;

m) 제1 다공성 소결체;

두 스택 시퀀스 모두 동일한 전해조를 생성한다. 공통 바이폴라 플레이트를 통해 본 발명에 따라 본 발명의 3개 이상의 인접한 셀을 서로 접촉시키기 위해, 스택 순서를 반복적으로 실행하는 것이 가능하다. 각 실행 후에는 바이폴라 플레이트를 삽입해야 한다.

예를 들어, 3개의 셀을 애노드에서 캐소드 방향으로 쌓을 때의 스택 순서는 다음과 같다:

a) 제1 다공성 소결체;

b) 음이온-전도성 막;

c) 선택적으로 촉매층;

d) 캐소드;

e) 바이폴라 플레이트;

f) 제1 다공성 소결체;

g) 음이온-전도성 막;

h) 선택적으로 촉매층;

i) 캐소드;

j) 바이폴라 플레이트;

k) 제1 다공성 소결체;

l) 음이온-전도성 막;

m) 선택적으로 촉매층;

n) 캐소드.

모든 스택은 바이폴라 플레이트와 같이 구조화되지만 단극 방식으로 연결되는 엔드 플레이트가 스택의 양쪽 끝에 제공될 수 있다.

적층은 특히 로봇을 사용하여 자동화되는 것이 바람직하다.

전해조의 생산은 제1 소결체와 제2 소결체가 동일한 재료로 구성될 때 특히 효과적이다. 동일한 소결체를 애노드와 캐소드으로 사용하는 경우 특히 바람직하다. 이 경우, 상이한 구성요소들의 수가 더 적어서 조립 속도가 빨라지고 전해조 비용이 절감된다. 이 경우에도 로봇이 애노드와 캐소드를 구분할 필요는 없지만 전극으로 한 종류의 소결체만 설치하면 되기 때문에 적층 공정은 로봇을 사용하여 더 양호하게 실행가능하다. 그러면 캐소드에서 애노드으로 또는 그 반대 방향으로 적층이 이루어지는지는 중요하지 않다.

본 발명은 알칼리성 막 수전해에서 전기화학 셀의 의도된 용도를 추가로 제공한다.

본 발명은 이제 작동 예들에 설명될 것이다. 이를 위해, 도면은 다음을 보여준다:
도 1a: 전기화학 셀의 제1 실시형태의 설계의 개략도;
도 1b: 습식 공정 변형에서 전기화학 셀의 제1 실시형태(도 1a)의 작동에 대한 개략도;
도 1c: 반건식 공정 변형(상황 1 - "건식 캐소드")에서 전기화학 셀의 제1 실시형태(도 1a)의 작동에 대한 개략도;
도 1d: 반건식 공정 변형(상황 2 - "건식 애노드")에서 전기화학 셀의 제1 실시형태(도 1a)의 작동에 대한 개략도;
도 2a: 전기화학 셀의 제2 실시형태의 설계의 개략도;
도 2b: 습식 공정 변형에서 전기화학 셀의 제2 실시형태(도 2a)의 작동에 대한 개략도;
도 2c: 반건식 공정 변형(상황 1 - "건식 캐소드")에서 전기화학 셀의 제2 실시형태(도 2a)의 작동에 대한 개략도;
도 2d: 반건식 공정 변형(상황 2 - "건식 애노드")에서 전기화학 셀의 제2 실시형태(도 2a)의 작동에 대한 개략도;
도 3: 제1 실시형태(도 1a)에 따른 두 개의 전기화학 셀을 포함하는 전해조의 한 가지 작동 변형의 개략도;
도 4: 제2 실시형태(도 2a)에 따른 두 개의 전기화학 셀을 포함하는 전해조의 설계의 개략도.

도 1a 는 단면으로 전기화학 셀(0)의 제1 실시형태를 개략적인 형태로 도시한다. 이는 애노드(1), 캐소드(2) 및 애노드(1)과 캐소드(2) 사이에 배열된 음이온 전도성 막(3)을 포함한다. 애노드(1) 및 캐소드(2)는 각각 다공성 소결체로서 이루어진다. 다공성은 예를 들어 38% 이다. 이는 소결체 내에 균질하게 분포될 수 있거나 막(3)으로부터의 거리가 증가함에 따라 다공성이 증가하도록 구배를 따를 수 있다.

막(3)은 음이온 전도성 중합체로 만들어진 평탄한 막이다. 막(3)은 전기화학 셀(0)를 두 개의 구획, 즉 애노드(1) 측의 애노드 구획과 캐소드(2) 측의 캐소드 구획으로 분리한다. 애노드(1)와 캐소드(2)는 각각 막(3)에 직접적으로 인접해 있다. 막(3)으로부터 먼 쪽에서, 애노드(1)와 캐소드(2)는 각각 엔드 플레이트(4)와 접촉한다.

애노드(1)과 캐소드(2)의 유효 면적은 도면의 평면에 수직으로 연장된다.

도 1a 에 도시된 전기화학 셀(0)의 실시형태는 별도의 흐름 분배기 또는 별도의 다공성 수송층 (PTL) 또는 별도의 촉매 활성 촉매층을 갖지 않는다. PLT 의 기능은 애노드(1)과 캐소드(2) 자체에 의해 가정되며, 이는 그것들이 유체 전도성이 있는 다공성 소결체로 구성되어 있기 때문이다. 그러나 흐름 분배기는 엔드 플레이트(4)(도시되지 않음)에 통합될 수 있다. 따라서 셀의 구획은 각각의 소결체(1, 2)만을 포함한다. 소결된 재료는 니켈과 철을 포함한다. 가장 단순한 경우, 입자를 구성하는 재료는 일반적으로 니켈과 철을 포함하는 스테인리스강이다. 셀의 작동 중에 니켈과 철의 산화는 촉매적으로 활성인 혼합 Ni-Fe 산화물 또는 혼합 Ni-Fe 수산화물을 형성한다. 소결된 재료는 결과적으로 촉매 활성을 갖는다; 추가적인 촉매층이 필요하지 않다.

전기화학 셀(0)은 세 가지 작동 모드, 즉 습식, 반건식 상황(1) 및 반건식 상황(2)를 허용한다.

도 1b는 습식 공정 변형에서 도 1a 의 전기화학 셀의 작동을 개략적으로 보여준다. 여기서 애노드(1)과 캐소드(2)는 물 또는 염기성 전해질에 담궈져 있고 전기분해 동작에서 그것으로 침투된다.

도 1c 는 도 1a 의 전기화학 셀(0)의 애노드(1)만이 물 또는 염기성 전해질로 침지되고 전기분해 동작에서 그것으로 침투되는 반건식 공정 변형을 도시한다 (반건식 상황 1). 캐소드(2)는 건조한 상태로 유지된다.

도 1d 는 도 1a의 전기화학 셀(0)의 캐소드(2)만이 물 또는 염기성 전해질로 침지되고 전기분해 동작에서 그것으로 침투되는 반건식 공정 변형을 도시한다 (반건식 상황 2). 애노드(1)는 건조한 상태로 유지된다.

도 2a 는 단면으로 전기화학 셀(0)의 제2 실시형태의 설계를 개략적인 형태로 도시한다. 이는 애노드(1), 캐소드(2) 및 애노드(1)과 캐소드(2) 사이에 배열된 음이온 전도성 막(3)을 포함한다. 애노드(1) 및 캐소드(2)는 각각 니켈 함유 입자들로 구성된 다공성 소결체로서 이루어진다. 막(3)은 셀(0)을 두 개의 구획으로 나누는 음이온 전도성 이오노머로 만들어진 평평한 막이다. 두 개의 전극들 (애노드(1) 및 캐소드(2)) 는 막(3)에 직접적으로 인접해 있다. 막(3)으로부터 먼 쪽에서, 애노드(1)와 캐소드(2)는 각각 엔드 플레이트(4)와 접촉한다.

제2 실시형태는 캐소드(2)와 막(3) 사이에 배열된 촉매층(5)을 특징으로 한다. 여기서 촉매층(5)은 캐소드(2) 에 및/또는 막(3)의 캐소드 측면에 적용되었을 수도 있다. 따라서 촉매층(5)은 캐소드 구획에 존재한다. 그것은 캐소드(2) 또는 막(3)에 이오노머로 고정되는 촉매 활성 입자(전기촉매)를 포함한다. 촉매 활성 입자는 Au-, Pt-, Rh-, Ru-, Pd-, Ag-, Ni-, Co-, Cu-, Fe-, Mn-, Mo-함유 금속 입자 또는 합금 또는 코팅 또는 화합물이며, 예를 들어 황화물, 셀렌화물, 산화물, 혼합 산화물, 수산화물, 혼합 수산화물, 스피넬 또는 1 nm 내지 10 μm의 입자 크기 또는 코팅 두께를 갖는 페로브스카이트이다. 촉매층(5)에 존재하는 촉매 활성 입자는 탄소질 물질, 예를 들어 카본 블랙 또는 목탄, 또는 산화물, 예를 들어 CeO₂, TiO₂ 또는 WO₃ 상에 지지되지 않거나 지지될 수 있다. 전기촉매의 농도는 막 또는 전극 면적(캐소드(2))을 기준으로, 0.01 mg/cm² 내지 25 mg/cm², 바람직하게는 0.05 mg/cm² 내지 5mg/cm² 이다. 입자 함유 촉매층의 두께는 1 ㎛ 내지 500 ㎛, 바람직하게는 5 ㎛ 내지 100 ㎛ 이다. 이오노머는 막(3)을 제조하는 데 사용된 것과 동일한 재료이다. 촉매층(5)이 막(3)에 적용되는 경우, 결과의 구조는 "촉매 코팅 막(catalyst coated membrane)” (CCM) 이다. 촉매층(5)이 캐소드(2)에 적용되는 경우, 결과의 구조는 "촉매 코팅 기판"(CCS)이다. 도 2a의 도식적 표현만으로는 CCM 또는 CCS 변형이 묘사되었는지 여부를 확인할 수 없다.

도 2a 의 전기화학 셀(0)은 세 가지 작동 모드, 즉 습식, 반건식 상황(1) 및 반건식 상황(2)를 허용한다.

도 2b 는 애노드(1)과 캐소드(2)이 물 또는 염기성 전해질에 담궈져 있고 전기분해 동작에서 그것으로 침투되는 습식 공정 변형을 보여준다.

도 2c 는 애노드(1)만이 물 또는 염기성 전해질로 침지되고 전기분해 동작에서 그것으로 침투되는 반건식 공정 변형을 도시한다 (반건식 상황 1). 캐소드(2)는 건조한 상태로 유지된다.

도 2d 는 캐소드(2)만이 물 또는 염기성 전해질로 침지되고 전기분해 동작에서 그것으로 침투되는 반건식 공정 변형을 도시한다 (반건식 상황 2). 애노드(1)는 건조한 상태로 유지된다.

도 3 은 습식 동작에서 전해조(6)의 제1 실시형태를 개략적인 형태로 도시한다. 전해조(6)는 동일한 구성을 갖고 공통 바이폴라 플레이트(7)을 통해 접촉되는 제1 실시형태에 따른 두 개의 인접한 전기화학 셀(0)을 포함한다.

제1 전해조(6)에 의한 수전해를 수행하기 위해, 모든 전극은 물 또는 염기성 전해질로 침지되고 전기분해 작동 시 그것으로 지속적으로 침투된다. 이 작동 모드는 위에서 "습식" 으로서 설명한 공정 변형에 대응하며, 이는 모든 소결체가 물 또는 염기성 전해질로 담궈지고 침투되기 때문이다. 그런 다음 애노드(1) 과 캐소드(2) 사이에 작용하는 전압이 각 셀에 인가된다. 위에서 설명한 원리에 따르면 이것의 효과는 수전해 및 캐소드(2)을 형성하는 다공성 소결체 내의 수소 (H₂) 및 애노드(1)을 형성하는 다공성 소결체 내의 산소(O₂)의 연관된 방출이다. 산소(O₂), 수소(H₂) 및 분해되지 않은 물(H₂O) 또는 염기성 전해질은 이에 따라 애노드(1)과 캐소드(2)에서 배출되고, 물 또는 염기성 전해질은 애노드(1)과 캐소드(2)을 통해 연속적으로 펌핑된다.

도 4 는 동작 시의 전해조(8)의 제2 실시형태를 개략적인 형태로 도시한다. 제2 전해조(8)는 동일한 구성을 갖고 공통 바이폴라 플레이트(7)을 통해 접촉되는 제2 실시형태에 따른 두 개의 인접한 전기화학 셀(0)을 포함한다.

제2 전해조(8)에 의한 수전해를 수행하기 위해, 모든 전극은 물 또는 염기성 전해질로 침지되고 전기분해 동작 시 그것으로 침투된다. 이 작동 모드는 위에서 "습식" 으로서 설명한 공정 변형에 대응하며, 이는 양 소결체들이 물 또는 염기성 전해질로 담궈지기 때문이다. 그런 다음 애노드(1) 과 캐소드(2) 사이에 작용하는 전압이 각 셀에 인가된다. 위에서 설명한 원리에 따르면 이것의 효과는 수전해 및 캐소드(2)을 형성하는 다공성 소결체 내의 수소 (H₂) 및 애노드(1)을 형성하는 다공성 소결체 내의 산소(O₂)의 연관된 방출이다. 산소(O₂), 수소(H₂) 및 분해되지 않은 물(H₂O) 또는 염기성 전해질은 이에 따라 애노드(1)과 캐소드(2)에서 배출되고, 물 또는 염기성 전해질은 애노드(1)과 캐소드(2)을 통해 연속적으로 펌핑된다.

실험들

이제 본 발명으로 달성된 효과들이 실험 데이터를 참조하여 설명될 것이다. 이를 위해, AEM 수전해용 전기분해 시험 셀에서는 다공성 소결체가 애노드재로 사용된다. 이에 비해 애노드재로는 니켈 폼을 사용했다.

1. 이오노머의 제조 (본 발명의 일부가 아님)

EP3770201 A1의 실시형태 3에 따라 음이온 전도성 중합체를 합성하였다.

2. 음이온 전도성 막의 제조 (본 발명의 일부가 아님)

이어서, EP3770201A1의 실시형태 4에 기술된 바와 같이, 1 에서 합성된 음이온 전도성 중합체로부터 막을 제조하였다. 각 실험은 60°C에서 24시간 동안 1M KOH에서 사전 이온 교환을 거친 새로운 막 조각을 사용했다.

3. 활성 시험 캐소드의 제조 (본 발명의 일부가 아님)

탄소 지지 백금(탄소 지지체 상의 Pt 60중량%, 품목 번호 AB204745, abcr GmbH, 독일)으로부터 잉크를 제조하였다. 이는 백금 기반 촉매 중량부당 먼저 물 44부, 다음으로 에탄올 44부, 마지막으로 이오노머 용액 5부(DMSO에서 1 에서 제조된 이오노머의 5%)를 첨가한 다음 잉크를 흔들어서 30분 동안 초음파 처리하여 분산시킴으로써 수행되었다.

캐소드의 제조를 위해, 기판으로서 탄소섬유 부직포(TGP-H120, 두께=370μm, 기공률=78%, 시료명 "탄소섬유 부직포", Toray Industries Inc., JP)를 선택하였다. 기판을 Prism 400 초음파 스프레이 코터(Ultrasonic Systems, Inc, Haverhill, MA, US)를 사용하여, 그 제조가 위에서 설명된 Pt/C 함유 잉크로 코팅했다. 백금 Pt 의 로딩량은 0.6 mg/cm² 이었다.

4. 시험 셀에서의 전해질 측정

전해질 시험 셀의 다이어그램이 도 2a 에 나타나 있다. 모든 작동예는 애노드(1), 캐소드(2), 막(3) 및 활성 면적이 16 cm² 인 두 개의 엔드 플레이트들(4)로 구성된 전기화학 셀(0)에서 실행되었다. 캐소드(3)의 구성요소는 전술한 촉매 코팅(5)이다. 따라서 캐소드(3)는 촉매 코팅된 기판(CCS)이다.

엔드 플레이트(4)는 채널당 하나의 입구와 하나의 출구가 있는 1.5mm 폭의 긴 채널 형태의 유동장을 갖는다(이는 도 2a에는 표시되지 않음).

사용된 전해질은 1M KOH 였으며, 이는 애노드(1) 과 캐소드(2)을 통해 50mL/분으로 펌핑되었다. 모든 실험은 60°C에서 수행되었으며 전해질만 열적으로 평형을 이루었다. 각각의 작동 예들의 개별적인 특징은 별도로 설명된다.

예 1 (본 발명)

여기서, 추가 촉매 코팅 없이 다공성 소결체(강철 SAE 316L, 두께 = 1.57mm, 다공성 = 38%, 샘플 지정 "소결체")를 애노드으로 사용했다. 이 소결체는 다공성 수송층으로서 동시에 활성 (애노드) 촉매 물질로서 작용한다. 도 5는 설명된 전기분해 시험 셀로 기록된 전류-전압 곡선을 보여준다.

도 5: 예 1 의 전류-전압 곡선

추가적인 애노드측 촉매 코팅 없이 소결체를 사용하면 1.9V 이하에서 최대 1.5A/cm²의 전류밀도를 달성할 수 있음을 알 수 있다. 이는 산업적으로 활용 시 높은 효율을 의미한다.

예 2. (비발명적)

이를 위해 니켈로 만든 폼(제품 코드: NI00-FA-000152, 두께 = 1.6 mm, 다공성 = 95%, Goodfellow, UK, 샘플 지정 "폼")을 추가 촉매 코팅 없이 애노드으로 사용했다. 이 소결체는 다공성 수송층으로서 동시에 활성 (애노드) 촉매 물질로서 작용한다. 도 6에서는 니켈 폼 애노드으로 기록한 전류-전압 곡선이 점선으로 표시된다. 실선은 소결강 애노드으로 기록한 도 5의 전류-전압 곡선이다.

도 6: 예2 및 예 1 의 전류-전압 곡선

니켈 폼을 사용한 경우 (점선), 소결체를 사용한 경우 (실선) 에 비해 훨씬 더 높은 전압에 도달함을 알 수 있다. 1.5 A/cm² 의 전류 밀도는 예를 들어 2.15 V 까지는 여기서 도달되지 않는다. 이 상대적으로 높은 전압은 사용 효율이 매우 낮다는 것을 의미한다. 산업적으로 이는 동일한 양의 수소를 제조하려면 더 많은 에너지(>10%)가 소비되어야 함을 의미한다.

결론

두 가지 예를 비교하면 소결체를 AEM 수전해용 애노드 재료로 사용하면 발포 전극에 비해 효율성이 크게 향상된다는 것이 분명해졌다.

0 전기화학 셀
1 제1 다공질 소결체 (애노드)
2 제2 다공성 소결체 (캐소드)
3 음이온-전도성 막
4 엔드 플레이트
5 촉매 층
6 제1 실시형태에 따른 공통 바이폴라 플레이트(7)을 통해 접촉된 두 개의 인접한 전기화학 셀(0)를 포함하는 전해조
7 바이폴라 플레이트
8 제2 실시형태에 따른 공통 바이폴라 플레이트(7)을 통해 접촉된 두 개의 인접한 전기화학 셀(0)를 포함하는 전해조
H₂O 물 또는 염기성 전해질
H₂ 수소
O₂ 산소

Claims

알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀 (0) 로서,
애노드 (1), 캐소드 (2), 및 애노드 (1) 과 캐소드 (2) 사이에 배열된 음이온 전도성 막 (3) 을 포함하고,
상기 애노드 (1) 는 입자 경계들에서 함께 융합되는 입자들을 포함하는 제 1 다공성 소결체 (1) 로서 부분적으로 또는 전체적으로 이루어지고, 상기 제 1 다공성 소결체 (1) 는 상기 막 (3) 과 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 다공성 소결체 (1) 의 상기 입자들은 촉매 활성 물질을 포함하거나 촉매 활성 물질로 구성되며, 상기 촉매 활성 물질은 다음의 전이 금속들로 이루어진 목록으로부터 선택된 적어도 하나의 전이 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ac, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 다공성 소결체 (1) 의 상기 입자들이 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 3 항에 있어서,
상기 제 1 다공성 소결체 (1) 의 상기 입자들은 다음의 물질들, 즉 니켈, 니켈 함유 합금, 하스텔로이, 크로닌, 모넬, 인코넬, 인콜로이, 인바르, 코바르; 니켈을 함유한 강철, 니켈을 함유한 스테인리스강, AISI 301, AISI 301L, AISI 304, AISI 304L, AISI 310, AISI310L, AISI316, AISI 316L, AISI 317, AISI 317L 및 AISI 321 강철 유형의 강철로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 다공성 소결체 (1) 와 상기 막 (3) 사이에 촉매층이 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 다공성 소결체 (1) 의 다공성 P 가 5% 내지 60% 또는 15% 내지 45% 이고, 여기서 다공성 P 는 다음 공식에 따라 결정되며:
P = 1-ρ_V /ρ_M
여기서 ρ_V 는 상기 제 1 다공성 소결체 (1) 의 부피 밀도이고, ρ_M 은 상기 제 1 다공성 소결체 (1) 의 상기 입자들의 고체 밀도인 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 6 항에 있어서,
상기 다공성 P 는 구배를 따라 변하며, 여기서 상기 구배는 상기 제 1 다공성 소결체 (1) 와 막 (3) 사이의 계면에 수직으로 배치되고 상기 다공성 P 는 상기 막 (3) 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 에 있어서,
광학 현미경으로 단면으로 관찰한 경우, 상기 제 1 다공성 소결체 (1) 의 기공들은 상기 제 1 다공성 소결체 (1) 의 입자들보다 작은 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 에 있어서,
상기 캐소드 (2) 은 입자 경계들에서 함께 융합되는 입자들을 포함하는 제 2 다공성 소결체 (2) 로서 부분적으로 또는 전체적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 9 항에 있어서,
상기 제 2 다공성 소결체 (2) 의 상기 입자들은 촉매 활성 물질을 포함하거나 촉매 활성 물질로 구성되며, 상기 촉매 활성 물질은 다음의 전이 금속들로 이루어진 목록으로부터 선택된 적어도 하나의 전이 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ac, Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 제 2 다공성 소결체 (2) 의 상기 입자들은 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 11 항에 있어서,
상기 제 2 다공성 소결체 (2) 의 상기 입자들은 다음의 물질들, 즉 니켈, 니켈 함유 합금, 하스텔로이, 크로닌, 모넬, 인코넬, 인콜로이, 인바르, 코바르; 니켈을 함유한 강철, 니켈을 함유한 스테인리스강, AISI 301, AISI 301L, AISI 304, AISI 304L, AISI 310, AISI310L, AISI316, AISI 316L, AISI 317, AISI 317L 및 AISI 321 강철 유형의 강철로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 캐소드 (2) 와 상기 막 (3) 사이에 촉매층 (5) 이 배치되는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 13 항에 있어서,
상기 촉매층 (5) 은 다음 원소들로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 원소 또는 원소의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀: Pt, Ru, Pd, C, Ni, Mo, Co, Cu, Fe, Cr.
제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
상기 촉매층 (5) 은 음이온 전도성 중합체를 포함하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 15 항에 있어서,
상기 음이온 전도성 중합체는 상기 막 (3) 에도 함유되어 있는 반복 단위를 함유하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 다공성 소결체 (1) 및/또는 상기 제 2 다공성 소결체 (2) 는 상기 막 (3) 에서 멀리 떨어진 쪽에서 바이폴라 플레이트 (7) 과 접촉하는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀.
제 17 항에 있어서,
상기 바이폴라 플레이트 (7) 는 다음 물질들로 이루어지는 그룹에서 선택된 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알칼리성 막 수전해를 위한 전기화학 셀: 니켈; 니켈 함유 합금, 하스텔로이, 크로닌, 모넬, 인코넬, 인콜로이, 인바르, 코바르; 니켈 함유 강, 니켈 함유 스테인레스 강, AISI 301, AISI 301L, AISI 304, AISI 304L, AISI 310, AISI310L, AISI316, AISI 316L, AISI 317, AISI 317L 및 AISI 321 강 유형의 강; 니켈 도금 강철, 니켈 도금 스테인레스 스틸, 니켈 도금 티타늄, 니켈 도금 황동, 니켈 도금 알루미늄, 니켈 도금 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체, 및 탄소.
물 (H₂O) 의 전기화학적 분해에 의해 수소 (H₂) 및 산소 (O₂) 를 제조하기 위한 방법으로서,
a) 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 전기화학 셀 (0) 을 제공하는 단계;
b) pH 가 7 내지 15 인 수성 전해질을 제공하는 단계;
c) 전압원을 제공하는 단계;
d) 상기 제 1 소결체 (1) 및/또는 상기 캐소드 (2) 을 상기 전해질과 접촉시키는 단계;
e) 상기 전압원으로부터 인출된 전압을 상기 애노드 (1) 및 캐소드 (2) 에 인가하는 단계;
f) 상기 제 1 다공성 소결체 (1) 로부터 산소 기체 (O₂) 및/또는 산소 (O₂) 가 용해된 전해질을 배출시키는 단계;
g) 상기 전기화학 셀 (0) 로부터 수소 기체 (H₂) 및/또는 수소 (H₂) 가 용해된 전해질을 배출시키는 단계;
h) 선택적으로, 상기 제 1 다공성 소결체 (1) 에 의해 배출된 상기 전해질로부터 산소 (O₂) 를 분리하는 단계;
i) 선택적으로 상기 셀 (0) 에서 배출된 상기 전해질로부터 수소 (H₂) 를 분리하는 단계를 포함하는, 물의 전기화학적 분해에 의해 수소 및 산소를 제조하기 위한 방법.
공통 바이폴라 플레이트 (7) 을 공유하는 제 17 항에 따른 적어도 2개의 전기화학 셀들(0)을 포함하는, 제 19 항에 따른 방법을 수행하기 위한 전해조 (6, 8).
다음 구성요소들이 이 순서로 서로 직접 적층되는, 제 20 항에 따른 전해조 (6, 8) 를 제조하는 방법:
a) 제 1 다공성 소결체 (1);
b) 음이온 전도성 막 (3);
c) 선택적으로 촉매층 (5);
d) 캐소드 (2);
e) 바이폴라 플레이트 (7);
f) 제 1 다공성 소결체 (1);
g) 음이온 전도성 막 (3);
h) 선택적으로 촉매층 (5);
i) 캐소드 (2).
다음 구성요소들이 이 순서로 서로 직접 적층되는, 제 20 항에 따른 전해조 (6, 8) 를 제조하는 방법:
a) 캐소드 (2);
b) 선택적으로 촉매층 (5);
c) 음이온 전도성 막 (3);
d) 제 1 다공성 소결체 (1);
e) 바이폴라 플레이트 (7);
f) 캐소드 (2);
g) 선택적으로 촉매층 (5);
h) 음이온 전도성 막 (3);
j) 제 1 다공성 소결체 (1).
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 기재된 전기화학 셀 (0) 의 알칼리성 막 수전해에서의 사용.