KR102375457B1 - 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조 - Google Patents

전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 교환막과, 상기 교환막 양단 각각에 구비되는 확산층인 전극층을 갖는 막-전극 집합체의 양측 중 적어도 어느 하나에 구비되는 유로 구조에 있어서, 일단에 반응물 유입단과 타단에 생성물 배출단을 갖는 분리판과, 상기 전극층 사이 내부 공간에 설치되며, 상기 전극층에 구비되는 유로판과, 상기 유로판의 일측에 복수로 구비되어 반응에 의해 생성된 생성물이 토출되는 채칼형 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 전해조용 채칼형 유로구조에 관한 것이다.

Description

전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조{Knife type Flow structure for PEM water electrolyzer}
본 발명은 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조에 대한 것이다.
수 전해조 셀은 물을 분리하여 수소 및 산소 가스를 생산하는 전기화학 장치이다. 전해조 셀은 캐소드, 애노드, 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 1은 통상의 WESPE 수전해 셀의 분해 사진을 나타낸 것이다. 또한, 도 2는 수전해 셀의 대략적인 단면도를 도시한 것이다. 그리고 도 3은 종래 유로가 형성된 바이폴라 플레이트 사진을 나타낸 것이다. 또한, 도 4는 수전해 셀의 반응 개략도를 도시한 것이다.
도 1, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 교환막(11)과 교환막(11) 양단 각각에 구비되는 전극층(20)을 포함하는 막-전극집합체(MEA)(10)와, 이러한 막-전극집합체(10) 일단에 구비되는 애노드(anode)측 분리판(바이폴라플레이트)(31)와, 캐소드(cathod)측 분리판(바이폴라플레이트)(32)을 포함한다.
그리고 도 1에 도시된 바와 같이, 막-전극집합체(10)와 애노드측 분리판(31) 사이에 애노드측 밀폐형 유로 가스켓(2)을 포함하며, 막-전극 집합체(10)와 캐소드측 분리판(32) 사이에 캐소드측 밀폐형 유로 가스켓(3)을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.
애노드 측은 반응물인 물이 유입되고 산소가 발생되어 배출되는 부분으로, 애노드측 전극층(21)과, 유로 및 애노드측 분리판(31)을 포함한다.
그리고 캐소드는 생성물인 수소가 발생하는 부분으로 캐소드측 전극층(22)과, 유로 및 캐소드측 분리판(32)을 포함한다.
분리판(30)인 바이폴라 플레이트는 전자가 이동하는 경로로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 유로가 분리판(30)에 형성되어 진다.
분리판(30)에 형성된 유로는 물질의 이동을 원활하게 하기 위한 통로에 해당하며, 가스켓(2,3)은 전해조에 들어간 물질이 외부로 유출되지 않도록 감싸는 부분에 해당한다.
그리고 교환막(11)은 수소이온이 이동하는 다공성 물질의 막으로서, 교환막(11) 양쪽 표면에는 촉매가 있어 반응이 촉진되며 일반적으로 nafion 막을 사용한다. 촉매는 반응을 촉진하는 물질로 교환막(11)의 양쪽 표면에 코팅되게 된다.
전극층(20)은 반응물(물)과 생성물(수소, 산소)이 이동하는 통로로서, 반응물(물)은 유로를 통해 촉매로 이동하게 되며, 생성물(수소, 산소)은 촉매에서 유로를 통해 이동되어 배출되게 된다. 또한, 전극층(20)은 반응에서 생성된 전자 또한 이동되며, 다공성 물질로 구성된다.
수전해 반응을 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 애노드 측에서는 애노드측 분리판(31)의 반응물 유입단(33)을 통해 물이 유입되어 유로를 통해 애노드측 전극층(21)으로 확산되어 교환막(11)의 촉매(막표면)에 의해 산소와 수소이온과 전자로 분해되며, 전자는 외부회로(4)를 통해 캐소드 측으로 이동되고, 수소이온은 교환막(11)을 통해 캐소드 측으로 이동되며, 산소는 애노드측 분리막(31)의 유로를 통해 이동되어 생성물(산소) 배출단(35)을 통해 배출되게 된다.
또한, 캐소드 측에서는 교환막(11)을 통해 이송된 수소이온이 전자와 반응하여 촉매(막표현)에서 수소를 생성하여 캐소드측 전극층(22)을 거쳐 캐소드측 분리판(32)의 유로를 통해 이송되어 생성물(수소)배출단(36)으로 배출되게 된다.
이동경로를 보다 상세히 설명하면, 반응물인 물은 물탱크에서 반응물 유입단(33)을 통해 애노드측 분리판(31)의 유로를 통해 전극으로 확산되어 애노드측 촉매(막표면)로 이동되어 전자, 산소, 수소이온으로 분해된다.
그리고 생성물인 산소는 애노드측 촉매에서 애노드측 전극층(21)을 거쳐 애노드측 분리판(31)의 유로를 통해 생성물(산소) 배출단(35)을 통해 산소 탱크측으로 배출된다.
또한, 생성물인 수소는 캐소드측 촉매(막표면)에서 생성되어 캐소드측 전극층(22)을 거쳐 캐소드측 분리판(32)의 유로를 통해 생성물(수소) 배출단(36)을 통해 수소 탱크측으로 배출된다.
그리고 애노드측 촉매에서 발생된 전자는 애노드측 전극층(21)을 거쳐 애노드측 분리판(31)으로 이동되어 외부회로(4)에 의해 캐소드측 분리판(32)으로 이동되어 캐소드측 전극층(22)을 거쳐 캐소드측 촉매에서 수소이온과 결합되어 수소를 생성하게 된다.
이러한 전해조의 목표는 고전류밀도 작동을 통한 수소의 대량생산이다. 그러나 종래 PEM 수전해 기술의 경우 고전류밀도 영역에서 수전해 셀을 작동시킬 경우 산소가 대량으로 발생하게 된다.
이때 생성된 다량의 산소로 인해 촉매층에 물이 공급되지 않고 이로 인해 효율이 매우 떨어지게 되는 문제점이 존재한다.
또한, 다량의 기체발생은 국부적인 온도를 상승시켜 셀의 수명을 감소시키고 이로 인해 생성된 기체를 원활히 제거할 수 있는 개선된 유로 구조의 설계가 요구되었다.
대한민국 등록특허 10-2055191 대한민국 공개특허 10-2020-0024019 대한민국 공개특허 10-2020-0024835 대한민국 등록특허 10-1198220
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 기존에 사용되고 있던 전해조의 interdigitated 유로 형상처럼 모든 유량이 확산층(전극층)을 통과하나, interdigitated 유로와 다른 점은 원활한 물 공급과 빠른 유속으로 기체를 원활히 제거하기 위해서 입구 부근에서 모든 유량이 확산층을 통과하며, 이후 유로의 중간 중간에 형성되는 복수의 출구단을 통해 확산층 밖으로 기체가 이동하게 되고, 유로 내부에서 적은 유동 저항으로 인해 빠른 속도로 셀 외부로 방출되고, 확산층과 유로가 분리되어 많은 기체가 발생되었을 때 다시 확산층으로 기체가 이동되는 것을 막을 수 있는, 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 입구에서 모든 유량이 확산층을 통과하기 때문에 확산층 내부의 빠른 유속을 만들어 기체의 이동을 빠르게 할 수 있고, 채칼형 출구로 이동된 기체가 적은 유동저항으로 인해 전해조 외부로 원활하게 배출될 수 있으며, 많은 기체가 발생한 경우, 채칼형 출구로 인해 확산층으로 역 확산을 방지할 수 있어 기체의 원활한 제거로 인해 고전류밀도 작동시 전해조의 성능 감소를 방지할 수 있고 기체로 인한 수명 감소를 막을 수 있는, 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조를 제공하는데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 태양광 발전 및 풍력 발전 등 신 재생에너지 발전시설과 전해조를 같이 설치하여 수소 생산을 할 때 적용하여 고전류밀도 작동 상황에서 성능감소를 막을 수 있는 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 교환막과, 상기 교환막 양단 각각에 구비되는 확산층인 전극층을 갖는 막-전극 집합체의 양측 중 적어도 어느 하나에 구비되는 유로 구조에 있어서, 일단에 반응물 유입단과 타단에 생성물 배출단을 갖는 분리판과, 상기 전극층 사이 내부 공간에 설치되며, 상기 전극층에 구비되는 유로판과, 상기 유로판의 일측에 복수로 구비되어 반응에 의해 생성된 생성물이 토출되는 채칼형 유로를 갖는 것을 특징으로 하는 전해조용 채칼형 유로구조로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 반응물 유입단과 연통되도록 상기 유로판 일측에 형성되어 반응물을 상기 전극층으로 이동시키는 반응물 유입홀과, 상기 유로판에 복수로 형성되는 유통홀를 포함하며, 상기 채칼형 유로는 상기 유통홀 각각에 구비되어 반응에 의해 생성된 생성물이 상기 채칼형 유로를 통해 토출되어 상기 생성물 배출단을 통해 배출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 채칼형 유로는 상기 유통홀 일측 모서리에서 상기 분리판측으로 절곡형성되는 절곡부와, 상기 절곡부와 연결되어 상기 분리판과 접촉되는 연결부를 포함하여, 생성물이 배출되는 출구단을 형성하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 채칼형 유로는 유동방향으로 서로 교차되는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 채칼형 유로는 유동방향으로 점진적으로 폭이 증가되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 채칼형 유로는 유동방향으로 점진적으로 개수가 증가되도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 반응물은 물이고, 상기 생성물은 산소인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 교환막과, 상기 교환막 양단 각각에 구비되는 확산층인 전극층을 갖는 막-전극 집합체의 양측 중 적어도 어느 하나에 구비되는 앞서 언급한 제 1목적에 따른 채칼형 유로 구조를 통한 기체 배출방법에 있어서, 분리판 일단의 반응물유입단을 통해 반응물이 유입되어 채칼형 유로구조의 반응물 유입홀을 거쳐 전극층으로 확산되는 단계; 채칼형 유로구조의 유로판의 일측에 복수로 구비되는 채칼형 유로의 출구단을 통해 반응에 의해 생성된 생성물이 상기 분리판의 내부공간으로 토출되는 단계; 및 토출된 생성물이 상기 분리판의 타단의 생성물배출단을 통해 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 채칼형 유로 구조를 통한 기체 배출방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 채칼형 유로구조는 애노드측 분리판과, 애노드측 전극층 사이 내부공간에 구비되며, 반응물은 물이고, 채칼형 유로구조를 통해 토출되는 생성물은 산소인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 채칼형 유로가 유동방향으로 서로 교차되는 방향으로 형성되어, 채칼형 유로를 통해 토출된 산소에 의한 유동저항 상승을 방지할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 발생되는 산소의 양이 상대적으로 적은 입구 부분에는 채칼형 유로의 폭을 출구 부분보다 작게 하거나 개수를 줄여 불필요한 반응물의 이동을 줄이고, 산소의 양이 상대적으로 많은 출구 부분에는 채칼형 유로의 폭을 크게 하거나 개수를 늘려 산소의 이동을 촉진시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 고분자 전해질 전해조에 있어서, 교환막과, 상기 교환막 양단 각각에 구비되는 확산층인 전극층을 갖는 막-전극 집합체; 상기 막-전극 집합체 양단 각각에 특정간격 이격되어 배치되는 분리판; 및 상기 분리판과 상기 전극층 사이 내부공간에 구비되는 앞서 언급한 제 1목적에 따른 채칼형 유로 구조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 채칼형 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 채칼형 유로구조는 애노드측 분리판과, 애노드측 전극층 사이 내부공간에 구비되며, 반응물은 물이고, 채칼형 유로구조를 통해 토출되는 생성물은 산소인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조에 따르면, 기존에 사용되고 있던 전해조의 interdigitated 유로 형상처럼 모든 유량이 확산층(전극층)을 통과하나, interdigitated 유로와 다른 점은 원활한 물 공급과 빠른 유속으로 기체를 원활히 제거하기 위해서 입구 부근에서 모든 유량이 확산층을 통과하며, 이후 유로의 중간 중간에 형성되는 복수의 출구단을 통해 확산층 밖으로 기체가 이동하게 되고, 유로 내부에서 적은 유동 저항으로 인해 빠른 속도로 셀 외부로 방출되고, 확산층과 유로가 분리되어 많은 기체가 발생되었을 때 다시 확산층으로 기체가 이동되는 것을 막을 수 있는 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 따른 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조에 따르면, 입구에서 모든 유량이 확산층을 통과하기 때문에 확산층 내부의 빠른 유속을 만들어 기체의 이동을 빠르게 할 수 있고, 채칼형 출구로 이동된 기체가 적은 유동저항으로 인해 전해조 외부로 원활하게 배출될 수 있으며, 많은 기체가 발생한 경우, 채칼형 출구로 인해 확산층으로 역 확산을 방지할 수 있어 기체의 원활한 제거로 인해 고전류밀도 작동시 전해조의 성능 감소를 방지할 수 있고 기체로 인한 수명 감소를 막을 수 있는 효과를 갖는다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 전해조용 채칼형 유로구조 및 그 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조에 따르면, 태양광 발전 및 풍력 발전 등 신 재생에너지 발전시설과 전해조를 같이 설치하여 수소 생산을 할 때 적용하여 고전류밀도 작동 상황에서 성능감소를 막을 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 통상의 WESPE 수전해 셀의 분해 사진,
도 2는 수전해 셀의 대략적인 단면도,
도 3은 종래 유로가 형성된 바이폴라 플레이트(분리판) 사진,
도 4는 수전해 셀의 반응 개략도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전해조용 채칼형 유로구조의 사시도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전해조용 채칼형 유로구조의 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 분리판에 설치된 전해조용 채칼형 유로구조의 단면도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 채칼형 유로가 유동방향으로 서로 교차 형성된 전해조용 채칼형 유로구조의 사시도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유동방향으로 점진적으로 채칼형 유로의 폭이 증가되는 전해조용 채칼형 유로구조의 사시도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 전해조용 채칼형 유로구조(110)의 구성, 기능에 대해 설명하도록 한다.
먼저 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전해조용 채칼형 유로구조의 사시도를 도시한 것이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전해조용 채칼형 유로구조의 단면도를 도시한 것이고, 또한 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 분리판에 설치된 전해조용 채칼형 유로구조의 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전해조용 채칼형 유로구조(110)는 [발명의 배경이 되는 기술]에서 설명한 고분자 전해질 전해조(100)에 적용될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 고분자 전해질 전해조(100)는 교환막(11)과 애노드측 전극층(21)과 캐소드측 전극층(22)으로 구성되는 막-전극 집합체(10)와, 막-전극 집합체(10) 양단에 구비되는 분리판(31,32)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 채칼형 유로구조(110)는 이러한 고분자 전해질 전해조(100)에서, 애노드측 전극층(21)과 애노드측 분리판(31) 사이 내부공간에 구비될 수 있다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 애노드측 분리판(31)은 도 7에 도시된 바와 같이, 상단 일측에 물이 유입되는 반응물유입단(33)이 구비되며, 하단 일측에 생성물인 산소가 배출되는 생성물배출단(35)이 구비됨을 알 수 있다. 그리고 개방면에는 애노드측 전극층(21)이 설치되고, 애노드측 전극층(21)과 애노드측 분리판(31) 사이의 내부공간에 채칼형 유로구조(110)가 구비되게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 채칼형 유로구조(110)는, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 애노드측 전극층(21)에 구비되는 유로판(50)과, 이러한 유로판(50)의 일측에 복수로 구비되어 반응에 의해 생성된 산소가 토출되는 복수의 채칼형 유로(60)를 갖고 있음을 알 수 있다.
보다 구체적으로, 애노드측 분리판(31)의 반응물 유입단(33)과 연통되도록 유로판(50) 일측에 반응물 유입홀(51)이 형성되어 반응물인 물을 애노드측 전극층(21)으로 이동시키게 되고, 유로판(50)에는 복수의 유통홀(52)이 형성되며, 채칼형 유로(60)는 이러한 유통홀(52) 각각에 구비되어 반응에 의해 생성된 산소가 채칼형 유로(60)를 통해 토출되어 애노드측 분리판(31)의 생성물 배출단(35)을 통해 배출되게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 채칼형 유로(60)는 유통홀(52) 일측 모서리에서 분리판(31) 측으로 절곡 형성되는 절곡부(61)와, 이러한 절곡부(61)와 연결되어 분리판(31)과 접촉되는 연결부(62)를 포함하여, 생성물인 산소가 출구단(63)을 통해 배출되게 된다.
즉, 애노드측 분리판(31) 일단의 반응물유입단(33)을 통해 반응물인 물이 유입되어 채칼형 유로구조의 반응물 유입홀(51)을 거쳐 전극층(21)으로 확산되고, 채칼형 유로구조의 유로판(50)의 일측에 복수로 구비되는 채칼형 유로의 출구단(63)을 통해 반응에 의해 생성된 산소가 분리판(31)의 내부공간으로 토출된 후, 토출된 산소가 애노드측 분리판(31) 타단의 생성물배출단(35)을 통해 배출되게 된다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 채칼형 유로구조에 따르면, 기존에 사용되고 있던 전해조의 interdigitated 유로 형상처럼 모든 유량이 확산층을 통과하나, interdigitated 유로와 다른 점은 원활한 물 공급과 빠른 유속으로 기체를 원활히 제거하기 위해서 입구 부근에서 모든 유량이 확산층을 통과하며, 이후 유로판의 중간 중간에 형성되는 복수의 채칼형 유로의 출구단을 통해 확산층 밖으로 기체가 이동하게 되고, 유로 내부에서 적은 유동 저항으로 인해 빠른 속도로 셀 외부로 방출되고, 확산층과 유로가 분리되어 많은 기체가 발생되었을 때 다시 확산층으로 기체가 이동되는 것을 막을 수 있게 된다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 전해조용 채칼형 유로구조에 따르면, 입구에서 모든 유량이 확산층을 통과하기 때문에 확산층 내부의 빠른 유속을 만들어 기체의 이동을 빠르게 할 수 있고, 채칼형 유로의 출구단으로 이동된 기체가 적은 유동저항으로 인해 전해조 외부로 원활하게 배출될 수 있으며, 많은 기체가 발생한 경우, 채칼형 유로로 인해 확산층으로 역 확산을 방지할 수 있어 기체의 원활한 제거로 인해 고전류밀도 작동시 전해조의 성능 감소를 방지할 수 있고 기체로 인한 수명 감소를 막을 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 채칼형 유로가 유동방향으로 서로 교차 형성된 전해조용 채칼형 유로구조의 사시도를 도시한 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 채칼형 유로(60)는 유동방향으로 서로 교차되는 방향으로 형성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 이러한 교차되는 형상으로 통로를 빠져나온 기체의 유동저항 상승을 막을 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 유동방향으로 점진적으로 채칼형 유로의 폭이 증가되는 전해조용 채칼형 유로구조의 사시도를 도시한 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 채칼형 유로(60)는 유동방향으로 점진적으로 폭이 증가되도록 구성될 수 있다.
따라서, 발생되는 산소의 양이 상대적으로 적은 입구 부분에는 채칼형 유로(60)의 폭을 출구 부분보다 작게 하거나 개수를 줄여 불필요한 반응물의 이동을 줄이고, 산소의 양이 상대적으로 많은 출구 부분에는 채칼형 유로(60)의 폭을 크게 하거나 개수를 늘려 산소의 이동을 촉진시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:유로
2:애노드측 밀폐형 유로 가스켓
3:캐소드측 밀폐형 유로 가스켓
4:외부회로
10:막-전극집합체
11:교환막
20:전극층
21:애노드측 전극층
22:캐소드측 전극층
30:분리판
31:애노드측 분리판
32:캐소드측 분리판
33:반응물유입단
35:생성물배출단
50:유로판
51:반응물 유입홀
52:유통홀
60:채칼형 유로
61:절곡부
62:연결부
63:출구단
100:고분자 전해질 전해조
110:채칼형 유로구조

Claims (13)

  1. 교환막과, 상기 교환막 양단 각각에 구비되는 확산층인 전극층을 갖는 막-전극 집합체의 양측 중 적어도 어느 하나에 구비되는 유로 구조에 있어서,
    일단에 반응물 유입단과 타단에 생성물 배출단을 갖는 분리판과, 상기 전극층 사이 내부 공간에 설치되며, 상기 전극층에 구비되는 유로판과, 상기 유로판의 일측에 복수로 구비되어 반응에 의해 생성된 생성물이 토출되는 채칼형 유로를 갖고,
    상기 반응물 유입단과 연통되도록 상기 유로판 일측에 형성되어 반응물을 상기 전극층으로 이동시키는 반응물 유입홀과, 상기 유로판에 복수로 형성되는 유통홀를 포함하며, 상기 채칼형 유로는 상기 유통홀 각각에 구비되어 반응에 의해 생성된 생성물이 상기 채칼형 유로를 통해 토출되어 상기 생성물 배출단을 통해 배출되며, 상기 채칼형 유로는 상기 유통홀 일측 모서리에서 상기 분리판측으로 절곡형성되는 절곡부와, 상기 절곡부와 연결되어 상기 분리판과 접촉되는 연결부를 포함하여, 생성물이 배출되는 출구단을 형성하는 것을 특징으로 하는 전해조용 채칼형 유로구조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 채칼형 유로는 유동방향으로 서로 교차되는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전해조용 채칼형 유로구조.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 채칼형 유로는 유동방향으로 점진적으로 폭이 증가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전해조용 채칼형 유로구조.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 채칼형 유로는 유동방향으로 점진적으로 개수가 증가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전해조용 채칼형 유로구조.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 반응물은 물이고, 상기 생성물은 산소인 것을 특징으로 하는 전해조용 채칼형 유로구조.
  8. 교환막과, 상기 교환막 양단 각각에 구비되는 확산층인 전극층을 갖는 막-전극 집합체의 양측 중 적어도 어느 하나에 구비되는 제 1항, 및 제 4항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 채칼형 유로 구조를 통한 기체 배출방법에 있어서,
    분리판 일단의 반응물유입단을 통해 반응물이 유입되어 채칼형 유로구조의 반응물 유입홀을 거쳐 전극층으로 확산되는 단계;
    채칼형 유로구조의 유로판의 일측에 복수로 구비되는 채칼형 유로의 출구단을 통해 반응에 의해 생성된 생성물이 상기 분리판의 내부공간으로 토출되는 단계; 및
    토출된 생성물이 상기 분리판의 타단의 생성물배출단을 통해 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 채칼형 유로 구조를 통한 기체 배출방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 채칼형 유로구조는 애노드측 분리판과, 애노드측 전극층 사이 내부공간에 구비되며, 반응물은 물이고, 채칼형 유로구조를 통해 토출되는 생성물은 산소인 것을 특징으로 하는 채칼형 유로 구조를 통한 기체 배출방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 채칼형 유로가 유동방향으로 서로 교차되는 방향으로 형성되어, 채칼형 유로를 통해 토출된 산소에 의한 유동저항 상승을 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 채칼형 유로 구조를 통한 기체 배출방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    발생되는 산소의 양이 상대적으로 적은 입구 부분에는 채칼형 유로의 폭을 출구 부분보다 작게 하거나 개수를 줄여 불필요한 반응물의 이동을 줄이고, 산소의 양이 상대적으로 많은 출구 부분에는 채칼형 유로의 폭을 크게 하거나 개수를 늘려 산소의 이동을 촉진시키는 것을 특징으로 하는 채칼형 유로 구조를 통한 기체 배출방법.
  12. 고분자 전해질 전해조에 있어서,
    교환막과, 상기 교환막 양단 각각에 구비되는 확산층인 전극층을 갖는 막-전극 집합체;
    상기 막-전극 집합체 양단 각각에 특정간격 이격되어 배치되는 분리판; 및
    상기 분리판과 상기 전극층 사이 내부공간에 구비되는 제 1항, 및 제 4항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 채칼형 유로 구조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 채칼형 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 채칼형 유로구조는 애노드측 분리판과, 애노드측 전극층 사이 내부공간에 구비되며, 반응물은 물이고, 채칼형 유로구조를 통해 토출되는 생성물은 산소인 것을 특징으로 하는 채칼형 유로구조를 갖는 고분자 전해질 전해조.

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