KR102524209B1 - 단방향 흐름을 형성하는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트에 관한 것이다. 상기 유동 플레이트는 일정 형상의 몸체부; 상기 몸체부의 일 영역에 형성된 원형의 유로부;를 포함하고, 상기 유로부는 유체가 유입되는 유입부; 상기 유입부와 일정 거리 떨어져 위치하고, 상기 유체가 배출되는 배출부; 상기 유입부와 배출부를 연결하는 가상의 선과 일정한 경사각을 형성하며 교차하는 제1 라인; 상기 제1 라인과 상기 가상의 선에 의해 대칭되는 제2 라인; 상기 제1 라인과 제2 라인에 의해 구획되는 복수 개의 흐름 영역; 각 흐름 영역 상에 상기 유로부의 둘레로부터 제1 라인과 제2 라인의 교차점을 향해 원호의 길이가 줄어들며 곡사형(Serpentine)으로 형성된 유로;를 포함한다.

Description

단방향 흐름을 형성하는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트{FLOW PLATE FOR ELECTROCHEMICAL CARBON DIOXIDE REDUCTION DEVICE FORMING UNIDIRECTIONAL FLOW}
본 발명은 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트에 관한 것이다.
지속 가능한 청정에너지 및 화합물 생산에 대한 요구가 증가함에 따라 전기화학적 반응 시스템의 중요성이 대두되고 있다. 특히, 전기화학적인 방법을 통해 이산화탄소(CO2)를 고부가가치의 화합물로 전환하는 것은 지속 가능한 화합물의 제조 방법이고, 재생 에너지의 공급 문제를 해결할 수 있는 해결책이며, 온실 가스를 저감할 수 있는 방법이다.
이산화탄소가 전기화학적으로 환원되는 방법은 이온 교환 방법에 따라 구분된다. 그 중 양이온 교환막을 이용하는 전기화학적 이산화탄소 환원(Electrochemical CO2 reduction)은 산화극에서 물이 분해되어 산소, 전자 및 수소이온이 발생한다. 환원극에서는 이산화탄소가 산화극에서 발생한 전자와 환원반응을 하여 다른 물질로 전환된다.
전기화학적 이산화탄소 환원은 모듈의 설계에 따라 전해조의 용량을 키울 수 있기 때문에 쉽게 확장 가능하다는 장점이 있다. 다만, 이와 관련된 대부분의 기술은 비용이 너무 많이 소요되어 상업적으로 실시할 수 있는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치를 개발하는 것은 여전히 어려운 과제이다.
최근에는 연속 흐름 막 반응기(Continuous flow membrane reactor)를 이용하여 이산화탄소를 전기화학적으로 환원시킴으로써, 물질 전달 측면에서 향상된 효과를 얻고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
막 반응기에서는 가스 확산 전극(Gas diffusion electrode, GDE)이 막 옆에 위치하기 때문에 물 포화 이산화탄소(Water saturated CO2) 가스가 환원극에 직접적으로 전달될 수 있다. 그에 따라 전해질에 의한 불필요한 전압 손실(Voltage loss)을 피할 수 있다.
막 반응기에서 생성물의 생산율은 이산화탄소의 물질 전달, 이산화탄소의 흡수, 전자 전달, 생성물의 이동 등에 의존한다. 그 중에서도 이산화탄소의 물질 전달이 매우 중요하고, 이산화탄소의 물질 전달은 유동 플레이트의 패턴을 최적화하여 향상시킬 수 있다.
(1) Suresh, P.; Jayanti, S.; Deshpande, A.; Haridoss, P. An improved serpentine flow field with enhanced cross-flow for fuel cell applications. International journal of hydrogen energy 2011, 36, 6067-6072. (2) Xu, C.; Zhao, T. A new flow field design for polymer electrolyte-based fuel cells. Electrochemistry communications 2007, 9, 497-503.
본 발명은 이산화탄소가 균일하게 분포되고, 단방향 흐름(Unidirectional flow)을 형성하도록 할 수 있는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 더욱 분명해질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트는 일정 형상의 몸체부; 상기 몸체부의 일 영역에 형성된 원형의 유로부;를 포함하고, 상기 유로부는 유체가 유입되는 유입부; 상기 유입부와 일정 거리 떨어져 위치하고, 상기 유체가 배출되는 배출부; 상기 유입부와 배출부를 연결하는 가상의 선과 일정한 경사각을 형성하며 교차하는 제1 라인; 상기 제1 라인과 상기 가상의 선에 의해 대칭되는 제2 라인; 상기 제1 라인과 제2 라인에 의해 구획되는 복수 개의 흐름 영역; 각 흐름 영역 상에 상기 유로부의 둘레로부터 제1 라인과 제2 라인의 교차점을 향해 원호의 길이가 줄어들며 곡사형(Serpentine)으로 형성된 유로;를 포함할 수 있다.
상기 유입부와 배출부를 연결하는 가상의 선은 직선일 수 있다.
상기 흐름 영역은 상기 유입부 측에 위치하는 제1 영역; 상기 제1 영역의 제1 라인 측에 위치하는 제2 영역; 상기 제1 영역의 제2 라인 측에 위치하는 제3 영역; 및 상기 배출부 측에 위치하는 제4 영역을 포함할 수 있다.
상기 유로부는 각 흐름 영역 상에 상기 제1 라인과 제2 라인의 교차점 부근의 일정 면적을 차지하는 중심부를 포함하고, 상기 각 흐름 영역 상의 유로의 일 끝단은 상기 중심부와 연결되어 있을 수 있다.
상기 제1 영역의 유로는 상류 측의 유로가 하류 측의 유로와 상기 가상의 선을 따라 형성된 중심유로를 통해 연결될 수 있다.
상기 제4 영역의 유로는 상류 측의 유로가 하류 측의 유로와 상기 가상의 선을 따라 형성된 중심유로를 통해 연결될 수 있다.
상기 제2 영역의 유로는 상기 제1 영역 측에 위치하는 상부 유로와 상기 제4 영역 측에 위치하는 하부 유로를 포함할 수 있다.
상기 제3 영역의 유로는 상기 제1 영역 측에 위치하는 상부 유로와 상기 제4 영역 측에 위치하는 하부 유로를 포함할 수 있다.
상기 유로부는 각 흐름 영역 사이에서 상기 제1 라인 또는 제2 라인을 따라 형성되어 각 흐름 영역을 연결하는 연결유로를 포함할 수 있다.
상기 연결유로는 상기 제1 영역의 중심부와 제2 영역의 유로부의 둘레에 위치하는 유로의 끝단을 연결하는 제1 연결유로; 상기 제1 영역의 중심부와 제3 영역의 유로부의 둘레에 위치하는 유로의 끝단을 연결하는 제2 연결유로; 상기 제4 영역의 중심부와 제2 영역의 유로부의 둘레에 위치하는 유로의 끝단을 연결하는 제3 연결유로; 및 상기 제4 영역의 중심부와 제3 영역의 유로부의 둘레에 위치하는 유로의 끝단을 연결하는 제4 연결유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학적 이산화탄소 환원 장치는 전해질막;
상기 전해질막의 양면에 위치하는 한 쌍의 전극; 상기 전극의 외측에 위치하는 가스 확산층(Gas diffusion layer, GDL); 및 상기 가스 확산층의 외측에 위치하는 유동 플레이트를 포함할 수 있다.
상기 장치는 상기 유동 플레이트와 접하는 가스 확산층 내에서 유체는 상기 유동 플레이트의 유입부로부터 배출부를 향해 단방향 흐름(Unidirectional flow)을 형성하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면 유동 플레이트의 특정 유로 패턴에 의해 이산화탄소가 가스 확산층 내에서 균일하게 단방향 흐름을 형성하여 물질 전달이 향상된 전기화학적 이산화탄소 환원 장치를 얻을 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 환원 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 유동 플레이트를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 유로부를 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명에 따른 유로부의 제1 영역을 도시한 것이다.
도 4b는 도 4a의 네모로 표시된 부분을 확대 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 유로부의 제2 영역을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 유로부의 제3 영역을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 유로부의 제4 영역을 도시한 것이다.
도 8a는 비교예1에 따른 유동 플레이트를 도시한 것이다.
도 8b는 비교예2에 따른 유동 플레이트를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 유동 플레이트의 유로부에 대한 속도 컨투어 맵(Contour map)을 도시한 것이다.
도 10은 비교예1에 따른 유동 플레이트의 유로부에 대한 속도 컨투어 맵을 도시한 것이다.
도 11은 비교예2에 따른 유동 플레이트의 유로부에 대한 속도 컨투어 맵을 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.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 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. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기화학적 이산화탄소 환원 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 장치는 전해질막(50), 상기 전해질막(50)의 양면에 위치하는 한 쌍의 전극(60), 상기 전극(60)의 외측에 위치하는 한 쌍의 가스 확산층(Gas diffusion layer, GDL, 70), 상기 가스 확산층(70)의 외측에 위치하는 한 쌍의 유동 플레이트(100) 및 상기 가스 확산층(70)과 상기 유동 플레이트(100) 사이에 위치하여 기밀을 유지하는 가스켓(80)을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 유동 플레이트(100)를 도시한 것이다. 참고로 설명 및 이해의 편의를 위해 도 2에서 유로는 도시하지 않았다. 이를 참조하면, 상기 유동 플레이트(100)는 일정 형상의 몸체부(200), 상기 몸체부(200)의 일 영역에 형성된 원형의 유로부(300)를 포함할 수 있다. 한편, 도 2에는 상기 유동 플레이트(100)를 원형으로 도시하였으나, 상기 유동 플레이트(100)의 형상이 원형에 한정되는 것은 아니다. 상기 유동 플레이트(100)는 후술할 구성 및 그에 따른 효과를 얻을 수 있다면 사각형 등 다른 형상일 수도 있다.
상기 몸체부(200)는 외부로부터 공급되는 유체가 상기 유동 플레이트(100)를 통과할 수 있도록 관통 형성된 유입공(210) 및 상기 유입공(210)과 일정 거리 떨어져 위치하고 상기 유체가 상기 유동 플레이트(100)를 통과하여 외부로 배출될 수 있도록 관통 형성된 배출공(220)을 포함할 수 있다.
상기 유로부(300)는 상기 유입공(210)과 연통되어 유체가 유입되는 유입부(310), 상기 유입부(310)와 일정 거리 떨어져 위치하고 상기 배출공(220)과 연통되어 유체가 배출되는 배출부(320), 상기 유입부(310)와 배출부(320)를 연결하는 가상의 선(L)과 일정한 경사각을 형성하며 교차하는 제1 라인(A), 상기 제1 라인(A)과 상기 가상의 선(L)에 의해 대칭되는 제2 라인(B) 및 상기 제1 라인(A)과 제2 라인(B)에 의해 구획되는 복수 개의 흐름 영역(330)을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 가상의 선(L), 제1 라인(A), 제2 라인(B)은 상기 유로부(300)에 물리적으로 존재하는 것은 아니고, 상기 유로부(300)의 후술할 각 구성을 구별하기 위한 관념적인 것이다.
상기 가상의 선(L)은 상기 유입부(310)에서 상기 배출부(320)에 이르는 직선일 수 있다.
상기 제1 라인(A)이 상기 가상의 선(L)과 이루는 경사각은 특별히 한정되지 않고, 예를 들어 20° 내지 70°, 또는 30° 내지 60°, 또는 40° 내지 50°일 수 있다.
상기 흐름 영역(330)은 상기 유입부(310) 측에 위치하는 제1 영역(331), 상기 제1 영역(331)의 제1 라인(A) 측에 위치하는 제2 영역(332), 상기 제1 영역(331)의 제2 라인(B) 측에 위치하는 제3 영역(333) 및 상기 배출부(320) 측에 위치하는 제4 영역(334)을 포함할 수 있다. 각 흐름 영역(330)에 대해서는 후술한다.
도 3은 본 발명에 따른 유로부(300)를 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 유로부(300)는 각 흐름 영역(330) 상에 상기 유로부(300)의 둘레로부터 제1 라인(A)과 제2 라인(B)의 교차점을 향해 원호의 길이가 줄어들며 곡사형(Serpentine)으로 형성된 유로(340)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 유로부(300)의 둘레는 상기 유로부의 경계를 이루는 최외곽부를 의미할 수 있다.
이하, 상기 제1 영역(331) 상에 형성된 유로(340)는 제1 유로(341), 상기 제2 영역(332) 상에 형성된 유로(340)는 제2 유로(342), 상기 제3 영역(333) 상에 형성된 유로(340)는 제3 유로(343), 상기 제4 영역(334) 상에 형성된 유로(340)는 제4 유로(344)라 지칭한다.
상기 유로(340)는 상기 유동 플레이트(100)의 일면으로부터 함입 형성된 것일 수도 있고, 상기 유동 플레이트(100)의 일면에 일정 높이로 립(Rip)을 설치하여 형성된 것일 수도 있다. 도 3에서 유로(340)는 진한 색으로 도시하였다.
도 4a는 상기 제1 영역(331)을 도시한 것이다. 상기 유로부(300)는 제1 영역(331) 상에 상기 제1 라인(A)과 제2 라인(B)의 교차점 부근의 일정 면적을 차지하는 중심부(350)를 포함할 수 있다. 상기 제1 유로(341)의 일 끝단은 상기 중심부(350)와 연결되어 있을 수 있다.
도 4b는 도 4a의 네모로 표시된 부분을 확대 도시한 것이다. 이를 참조하면, 상기 제1 유로(341)는 상류 측의 유로(341a)가 하류 측의 유로(341b)와 상기 가상의 선(L)을 따라 형성된 중심유로(360)를 통해 연결되는 것일 수 있다.
도 5는 상기 제2 영역(332)을 도시한 것이다. 상기 유로부(330)는 제2 영역(332) 상에 상기 제1 라인(A)과 제2 라인(B)의 교차점 부근의 일정 면적을 차지하는 중심부(350)를 포함할 수 있다. 상기 제2 유로(342)의 일 끝단은 상기 중심부(350)와 연결되어 있을 수 있다.
상기 제2 유로(342)는 상기 제1 영역(331) 측에 위치하는 상부 유로(342a)와 상기 제4 영역(334) 측에 위치하는 하부 유로(342b)를 포함할 수 있다.
도 6은 상기 제3 영역(333)을 도시한 것이다. 상기 유로부(330)는 제3 영역(333) 상에 상기 제1 라인(A)과 제2 라인(B)의 교차점 부근의 일정 면적을 차지하는 중심부(350)를 포함할 수 있다. 상기 제3 유로(343)의 일 끝단은 상기 중심부(350)와 연결되어 있을 수 있다.
상기 제3 유로(343)는 상기 제1 영역(331) 측에 위치하는 상부 유로(343a)와 상기 제4 영역(334) 측에 위치하는 하부 유로(343b)를 포함할 수 있다.
도 7은 상기 제4 영역(334)을 도시한 것이다. 상기 유로부(300)는 제4 영역(334) 상에 상기 제1 라인(A)과 제2 라인(B)의 교차점 부근의 일정 면적을 차지하는 중심부(350)를 포함할 수 있다. 상기 제4 유로(344)의 일 끝단은 상기 중심부(350)와 연결되어 있을 수 있다.
상기 제4 유로(344)는 상기 제1 유로(341)와 동일하게 상류 측의 유로가 하류 측의 유로와 상기 가상의 선(L)을 따라 형성된 중심유로(360)를 통해 연결되는 것일 수 있다.
도 4a 내지 도 7을 참조하면, 상기 유로부(300)는 각 흐름 영역(330) 사이에서 상기 제1 라인(A) 또는 제2 라인(B)을 따라 형성되어 각 흐름 영역(330)에 형성된 유로(340)를 연결하는 연결유로(370)를 포함할 수 있다.
구체적으로 상기 연결유로(370)는 상기 제1 영역(331)의 중심부(350)와 제2 영역(332)의 유로부(300)의 둘레에 위치하는 유로(342)의 끝단을 연결하는 제1 연결유로(371), 상기 제1 영역(331)의 중심부(350)와 제3 영역(333)의 유로부(300)의 둘레에 위치하는 유로(343)의 끝단을 연결하는 제2 연결유로(370), 상기 제4 영역(334)의 중심부(350)와 제2 영역(332)의 유로부(300)의 둘레에 위치하는 유로(342)의 끝단을 연결하는 제3 연결유로(373) 및 상기 제4 영역(334)의 중심부(350)와 제3 영역(333)의 유로부(300)의 둘레에 위치하는 유로(343)의 끝단을 연결하는 제4 연결유로(374)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 상기 유로부(300)를 전술한 바와 같이 구성함으로써, 장치 내 물질 전달을 향상시키고, 유체가 유입부(310)에서 배출부(320)를 항해 단방향으로 흐를 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 예시적인 구현예들이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예 및 비교예는 기술적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
실시예, 비교예1 및 비교예2
실시예는 본 발명에 따른 유동 플레이트이고, 비교예1 및 비교예2는 각각 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같은 유동 플레이트이다. 구체적으로 비교예1 및 비교예2는 각각 본 명세서에서 제시하는 비특허문헌1 및 비특허문헌2에서 제시하는 유로를 갖는 유동 플레이트이다. 도 8a 및 도 8b에서 유체의 유입과 배출은 화살표로 표시하였다. 유체가 유입되는 부분이 유입부이고, 배출되는 부분이 배출부이다.
실시예, 비교예1 및 비교예2에 따른 유동 플레이트의 대류 물질 전달(Convection mass transfer)을 대류에 대한 면적 가중 평균 속도(Area-weighted average of the velocity for convection, Vavg)를 통해 정량적으로 평가하였다.
또한, 각 유동 플레이트의 유동 균일도(Flow uniformity)를 대류에 대한 면적 가중 평균 속도(Area-weighted average of the velocity for convection, Vavg)와 최대 속도(Maximal velocity, Vmax)의 비(Vmax/Vavg)를 통해 정량적으로 평가하였다.
위 각 평가 항목은 Computational fluid dynamic (CFD) 기법을 통해 측정하였다. 그 결과는 하기 표 1과 같다.
또한, 실시예, 비교예1 및 비교예2에 따른 유동 플레이트의 유로부에 대한 속도 컨투어 맵(Contour map)을 각각 도 9, 도 10 및 도 11에 도시하였다.
구분 총 유로길이
[mm]		 △Pin-out 1)
[Pa]		 Vavg
[m/s]		 Vmax
[m/s]		 Vmax/Vavg Pe 2 )
비교예1 5182 1682 0.0184 0.5417 30 1.2240
비교예2 5275 12320 0.0312 3.4197 109 2.0827
실시예 5370 6052 0.0468 1.3695 29 3.1193
상기 표 1에서 1) 유입부와 배출부의 전체 압력 강하(Total pressure drop)
2) 페크레 수(Peclet nubmer)
표 1을 참조하면, 비교예1은 Vavg가 낮다는 점에서 대류 물질 전달 특성이 좋지 않음을 알 수 있다. 비교예2는 유입부와 배출부의 전체 압력 강하가 너무 높기 때문에 유체의 공급을 위해서는 추가적인 유압 공급 장비가 필요하고, 이는 상업화에 큰 걸림돌이 될 수 있다. 또한, 비교예2는 Vmax/Vavg가 너무 높다는 점에서 유동 균일도가 좋지 않음을 알 수 있다.
한편, 실시예는 Vavg가 높다는 점에서 대류 물질 전달 특성이 우수하고, Vmax/Vavg가 낮고, 페크레 수가 높다는 점에서 유동 균일도 역시 우수함을 알 수 있다.
위 결과는 도 9 내지 도 11를 통해서도 알 수 있다. 도 9 내지 도 11에서 유체의 흐름은 검은 화살표로 표시하였다.
실시예의 결과를 도시한 도 9를 참조하면, 유체가 유입부로부터 배출부를 향해 단방향 흐름을 보임을 알 수 있다. 또한, 유체의 속도 역시 균형이 잡힌 모습을 보인다. 구체적으로 유동 플레이트의 상부에서는 유체가 중심부로 모이는 형태를 띄고, 하부에서는 유체가 중심부에서 바깥으로 흐르는 형태를 보인다. 유체의 흐름이 이와 같을 때, 물질전달이 원활하게 이루어질 수 있다. 반면에, 도 10 및 도 11을 참조하면, 비교예1 및 비교예2는 유체가 단방향 흐름을 보이지 않고, 속도의 분포 역시 불균일함을 알 수 있다. 구체적으로 유체의 흐름이 실시예와 상이한데, 비교예1은 유동 플레이트의 상부와 하부에서 모두 유체가 중심부로 모이는 형태를 띄고, 비교예2는 유동 플레이트의 좌측에서는 유체가 중심부로 모이고, 우측에서는 유체의 흐름이 중심부를 향하는 부분과 바깥으로 향하는 부분이 혼재되어 있다. 따라서 비교예들은 본원발명에 따른 실시예에 비해 물질전달이 수월하게 이루어지지 않는다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
1: 전기화학적 이산화탄소 환원 장치
100: 유동 플레이트
200: 몸체부
210: 유입공 220: 배출공
300: 유로부
310: 유입부 320: 배출부
330: 흐름 영역
331: 제1 영역 332: 제2 영역 333: 제3 영역 334: 제4 영역
340: 유로 341: 제1 유로 342: 제2 유로 343: 제3 유로 344: 제4 유로
350: 중심부
360: 중심유로
370: 연결유로
371: 제1 연결유로 372: 제2 연결유로
373: 제3 연결유로 374: 제4 연결유로
50: 전해질막
60: 전극
70: 가스 확산층
80: 가스켓

Claims (12)

  1. 일정 형상의 몸체부;
    상기 몸체부의 일 영역에 형성된 원형의 유로부;를 포함하고,
    상기 유로부는
    유체가 유입되는 유입부;
    상기 유입부와 일정 거리 떨어져 위치하고, 상기 유체가 배출되는 배출부;
    상기 유입부와 배출부를 연결하는 가상의 선과 일정한 경사각을 형성하며 교차하는 제1 라인;
    상기 제1 라인과 상기 가상의 선에 의해 대칭되는 제2 라인;
    상기 제1 라인과 제2 라인에 의해 구획되는 복수 개의 흐름 영역;
    각 흐름 영역 상에 상기 유로부의 둘레로부터 제1 라인과 제2 라인의 교차점을 향해 원호의 길이가 줄어들며 곡사형(Serpentine)으로 형성된 유로;를 포함하고,
    상기 흐름 영역은 상기 유입부 측에 위치하는 제1 영역; 상기 제1 영역의 제1 라인 측에 위치하는 제2 영역; 상기 제1 영역의 제2 라인 측에 위치하는 제3 영역; 및 상기 배출부 측에 위치하는 제4 영역을 포함하며,
    상기 제1 영역의 유로는 상류 측의 유로가 하류 측의 유로와 상기 가상의 선을 따라 형성된 중심유로를 통해 연결되고,
    상기 제4 영역의 유로는 상류 측의 유로가 하류 측의 유로와 상기 가상의 선을 따라 형성된 중심유로를 통해 연결되는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유입부와 배출부를 연결하는 가상의 선은 직선인 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유로부는 각 흐름 영역 상에 상기 제1 라인과 제2 라인의 교차점 부근의 일정 면적을 차지하는 중심부를 포함하고,
    상기 각 흐름 영역 상의 유로의 일 끝단은 상기 중심부와 연결되어 있는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 영역의 유로는 상기 제1 영역 측에 위치하는 상부 유로와 상기 제4 영역 측에 위치하는 하부 유로를 포함하는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제3 영역의 유로는 상기 제1 영역 측에 위치하는 상부 유로와 상기 제4 영역 측에 위치하는 하부 유로를 포함하는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 유로부는 각 흐름 영역 사이에서 상기 제1 라인 또는 제2 라인을 따라 형성되어 각 흐름 영역을 연결하는 연결유로를 포함하는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연결유로는
    상기 제1 영역의 중심부와 제2 영역의 유로부의 둘레에 위치하는 유로의 끝단을 연결하는 제1 연결유로;
    상기 제1 영역의 중심부와 제3 영역의 유로부의 둘레에 위치하는 유로의 끝단을 연결하는 제2 연결유로;
    상기 제4 영역의 중심부와 제2 영역의 유로부의 둘레에 위치하는 유로의 끝단을 연결하는 제3 연결유로; 및
    상기 제4 영역의 중심부와 제3 영역의 유로부의 둘레에 위치하는 유로의 끝단을 연결하는 제4 연결유로를 포함하는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치용 유동 플레이트.
  11. 전해질막;
    상기 전해질막의 양면에 위치하는 한 쌍의 전극;
    상기 전극의 외측에 위치하는 가스 확산층(Gas diffusion layer, GDL); 및
    상기 가스 확산층의 외측에 위치하는 유동 플레이트를 포함하고,
    상기 유동 플레이트가 제1항, 제2항, 제4항 및 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항의 유동 플레이트를 포함하는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 유동 플레이트와 접하는 가스 확산층 내에서 유체는 상기 유동 플레이트의 유입부로부터 배출부를 향해 단방향 흐름(Unidirectional flow)을 형성하는 전기화학적 이산화탄소 환원 장치.
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