KR102628206B1 - Bipolar plate and water electrolysis cell having the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 물을 전기분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성(생산)하는 수전해용 분리판 및 이를 포함하는 수전해 셀에 관한 것이다. 본 발명은 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하는 수전해 장치에 사용되는 수전해 분리판(100)으로서, 유체가 유입되는 유입공(110); 상기 유입공(110)으로부터 유입된 유체를 완충시켜 반응 영역(150)의 유로(155)에 공급하는 유입측 버퍼 존(140); 상기 유입측 버퍼 존(140)으로부터 공급된 유체가 통과되는 복수의 유로(155)가 형성된 반응 영역(150); 상기 반응 영역(150)의 유로(155)를 통과한 유체를 완충시켜 배출공(180)으로 공급하는 배출측 버퍼 존(160); 및 상기 배출측 버퍼 존(160)으로부터 공급된 유체가 배출되는 배출공(180)을 포함하는 수전해 분리판(100), 및 이를 포함하는 수전해 셀(WEC)을 제공한다. 본 발명에 따르면, 유체의 흐름성이 개선되어 수소와 산소의 생산성을 향상시킬 수 있다. The present invention relates to a separator for water electrolysis that electrolyzes water to generate (produce) hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) and a water electrolysis cell including the same. The present invention is a water electrolysis separator plate (100) used in a water electrolysis device that electrolyzes water to generate hydrogen and oxygen, comprising: an inlet hole (110) through which fluid flows; an inlet-side buffer zone 140 that buffers the fluid flowing in from the inlet hole 110 and supplies it to the flow path 155 of the reaction area 150; A reaction area 150 having a plurality of passages 155 through which the fluid supplied from the inflow buffer zone 140 passes; a discharge-side buffer zone 160 that buffers the fluid passing through the flow path 155 of the reaction region 150 and supplies it to the discharge hole 180; and a water electrolysis separator 100 including a discharge hole 180 through which the fluid supplied from the discharge side buffer zone 160 is discharged, and a water electrolysis cell (WEC) including the same. According to the present invention, the flowability of the fluid can be improved, thereby improving the productivity of hydrogen and oxygen.
Description
본 발명은 물을 전기분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성(생산)하는 수전해용 분리판 및 이를 포함하는 수전해 셀에 관한 것으로, 하나의 실시예에 따라서 수전해 분리판에 형성된 유로의 유입측 및 배출측에 유체의 흐름을 완충시키는 버퍼 존(buffer zone)을 형성하고, 이와 함께 상기 버퍼 존(buffer zone)에 의해 막-전극 접합체(MEA)가 함몰(붕괴)되는 것을 방지하는 함몰 방지 부재를 설치하여, 적어도 수소 및 산소의 생산성을 향상시킬 수 있는 수전해 분리판 및 이를 포함하는 수전해 셀에 관한 것이다. The present invention relates to a water electrolysis separator that electrolyzes water to generate (produce) hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) and a water electrolysis cell including the same. According to one embodiment, the water electrolysis separator A buffer zone is formed to buffer the flow of fluid on the inlet and outlet sides of the flow path formed in the channel, and the membrane-electrode assembly (MEA) collapses (collapses) due to the buffer zone. It relates to a water electrolysis separator that can improve at least the productivity of hydrogen and oxygen by installing a collapse prevention member to prevent collapse, and to a water electrolysis cell including the same.
석유나 석탄과 같은 화석연료의 고갈과 환경 파괴로 인하여, 화석연료의 대체 에너지에 대한 관심이 높아져 왔다. 화석연료의 대체 에너지 중에서, 물을 전기분해하여 생성된 수소 에너지는 고순수 및 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않는 등의 장점을 갖는다. 예를 들어, 태양광이나 풍력 발전 등으로부터 생산된 전기 에너지는 간헐적이고 생산량에 한계가 있음에 반하여, 수소는 연속적인 생산 및 저장이 가능하고 원료(물)도 풍부하여 가장 가망성 있는 대체 에너지로 꼽히고 있다. Due to the depletion of fossil fuels such as oil and coal and environmental destruction, interest in alternative energy sources to fossil fuels has increased. Among alternative energies to fossil fuels, hydrogen energy generated by electrolyzing water has the advantages of being highly pure and highly efficient, and not emitting pollutants such as NO x and SO x . For example, while electrical energy produced from solar or wind power is intermittent and has limitations in production, hydrogen is considered the most promising alternative energy because it can be continuously produced and stored and has abundant raw materials (water). there is.
수소를 생산하는 기술로는 물의 전기분해를 이용하는 수전해(water electrolysis)가 대표적이며, 이는 수소와 함께 산소를 생성(생산)할 수 있다. 이에, 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성(생산)하는 수전해 장치(또는, 수전해 시스템)가 주목받고 있으며, 이러한 수전해 장치에 의해 생성된 수소와 산소는 연료전지의 원료(연료 및 산화제)로도 유용하게 사용되고 있다. A representative technology for producing hydrogen is water electrolysis, which uses the electrolysis of water, and can produce (produce) oxygen together with hydrogen. Accordingly, water electrolysis devices (or water electrolysis systems) that electrolyze water to generate (produce) hydrogen and oxygen are attracting attention, and the hydrogen and oxygen produced by these water electrolysis devices are used as raw materials for fuel cells (fuel and oxygen). It is also useful as an oxidizing agent.
수전해(물의 전기분해) 장치는, 물(H2O)과 전기가 공급되면 물의 산화환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 수전해 장치의 애노드(anode)에서는 물(H2O)이 공급되어 전극 촉매 상에 반응하여 산소 이온, 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질막을 통해 캐소드(cathode)로 이동하며, 캐소드에서는 상기 전해질막을 통과한 수소 이온이 외부회로를 통해 이동된 전자와 결합하여 순수한 수소(H2)가 생성된다. 한국 공개특허 제10-2013-0124045호, 한국 등록특허 제10-1326120호 및 한국 등록특허 제10-2123840호에는 위와 같은 수전해(물의 전기분해)에 관한 기술이 제시되어 있다. A water electrolysis (water electrolysis) device generates hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) using electrons generated during the redox reaction of water when water (H 2 O) and electricity are supplied. Water (H 2 O) is supplied to the anode of the water electrolyzer and reacts on the electrode catalyst to generate oxygen ions, hydrogen ions, and electrons. The hydrogen ions move to the cathode through the electrolyte membrane, and the cathode In the electrolyte membrane, hydrogen ions pass through the electrolyte membrane and combine with electrons moved through the external circuit to generate pure hydrogen (H 2 ). Korean Patent Publication No. 10-2013-0124045, Korean Patent No. 10-1326120, and Korean Patent No. 10-2123840 present the technology related to water electrolysis (electrolysis of water) as described above.
일반적으로, 수전해 장치는 수소와 산소를 생성하는 수전해 셀(cell)이나 수전해 스택(stack)을 필수 구성요소로 하고, 물과 전기를 적정 조건으로 공급 및 제어하는 운전 장치, 기액 분리기 및 수소저장탱크 등을 포함한다. 상기 수전해 스택은 복수의 수전해 셀이 적층되어 구성되며, 상기 수전해 셀은 막-전극 접합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)와, 상기 막-전극 접합체(MEA)의 양측에 설치된 수전해 분리판을 기본 구성요소로 포함하고 있다. 통상, 상기 막-전극 접합체(MEA)는 중앙의 이온 교환막과, 상기 이온 교환막의 양면에 형성된 전극층(양극 촉매층 및 음극 촉매층)을 포함하며, 상기 막-전극 접합체(MEA)와 수전해 분리판의 사이에는 가스킷(Gasket)이 설치되고 있다. In general, a water electrolysis device consists of a water electrolysis cell or a water electrolysis stack that generates hydrogen and oxygen, an operating device that supplies and controls water and electricity under appropriate conditions, a gas-liquid separator, and Including hydrogen storage tanks, etc. The water electrolysis stack is composed of a plurality of water electrolysis cells stacked, and the water electrolysis cells include a membrane-electrode assembly (MEA) and a water electrolysis separator installed on both sides of the membrane-electrode assembly (MEA). Includes as basic components. Typically, the membrane-electrode assembly (MEA) includes a central ion exchange membrane and electrode layers (anode catalyst layer and cathode catalyst layer) formed on both sides of the ion exchange membrane, and the membrane-electrode assembly (MEA) and the water electrolytic separator are A gasket is installed between them.
상기 수전해 분리판은 수전해 셀의 형태 유지 기능과 함께 수소와 산소의 생성을 위한 반응 영역을 제공하는 기능을 갖는다. 이를 위해, 수전해 분리판에는 유체(물, 수소 및 산소 등)의 흐름 경로로서 유로가 형성되어 있다. 물은 수전해 분리판의 유로(반응 영역)를 통과하면서 분해되고, 이를 통해 생성된 수소와 산소는 유로를 따라 배출된다. The water electrolysis separator has the function of maintaining the shape of the water electrolysis cell and providing a reaction area for the generation of hydrogen and oxygen. For this purpose, a flow path is formed in the water electrolysis separator as a flow path for fluids (water, hydrogen, oxygen, etc.). Water is decomposed as it passes through the flow path (reaction area) of the water electrolysis separator, and the hydrogen and oxygen generated through this are discharged along the flow path.
첨부된 도 1은 종래 기술에 따른 수전해 분리판(10)의 정면도이다. 도 1을 참고하면, 일반적으로 수전해 분리판(10)은 그의 입구측(도 1에서, 상측)에 분리판(10)의 외부에서 유체가 유입되는 유입공(11a)(11b)과, 상기 유입공(11a)(11b)으로부터 유입된 유체가 인입되는 복수의 입구홀(12a)(12b)이 형성되고, 중앙 영역에는 상기 입구홀(12a)(12b)을 통해 인입된 유체가 통과하면서 반응되는 반응 영역(15)을 갖는다. 수전해 분리판(10)의 출구측(도 1에서, 하측)에는 상기 반응 영역(15)을 통과한 유체가 토출되는 복수의 출구홀(17a)(17b)과, 상기 출구홀(17a)(17b)을 통해 토출된 유체를 외부로 배출하기 위한 배출공(18a)(18b)이 형성되어 있다. 이때, 상기 반응 영역(15)에는 유체가 흐르는 복수의 유로(15a)가 형성되어 있다. The attached Figure 1 is a front view of the water
상기 복수의 각 유로(15a)는 입구홀(12a)(12b) 및 출구홀(17a)(17b)과 연통된다. 또한, 상기 수전해 분리판(10)에는 제품에 따라 가스킷(Gasket)이 패킹되는 가스킷 패킹홈(19)이 형성되어 있다. 도 1에 보인 수전해 분리판(10)은 양면(정면 및 배면)에서 유체의 흐름을 가지는 양면 스택용을 예시한 것이며, 수전해 분리판(10)은 제품에 따라 그의 일면(정면)에만 유체의 흐름을 가질 수 있다. Each of the plurality of
첨부된 도 2는 도 1의 일부(우측 상부)를 보인 절단 사시도이다. 도 2를 참고하면, 일반적으로 수전해 분리판(10)은 정면(도 2에서, 앞면)을 형성하는 정면부(10A)(통상, '상판'이라고도 함)와 배면(도 2에서, 뒷면)을 형성하는 배면부(10B)(통상, '하판'이라고도 함)를 갖는다. 이때, 수전해 분리판(10)은 판 형상의 정면부(10A)와 판 형상의 배면부(10B)를 각각 별도로 제작한 다음, 용접이나 접착제를 통해 접합하여 제조된다. 상기 입구홀(12a)(12b) 및 출구홀(17a)(17b)은 정면부(상판, 10A)에 형성된 반쪽 홈과 배면부(하판, 10B)에 형성된 반쪽 홈이 조합되어 형성된다. 유체는 유입공(11a)(11b)으로부터 입구홀(12a)(12b)을 통해 반응 영역(15)으로 유입된 다음, 반응 영역(15)의 각 유로(15a)를 통과하면서 반응되고, 이후 출구홀(17a)(17b)을 따라 배출공(18a)(18b)을 통해 외부로 배출된다. The attached FIG. 2 is a cutaway perspective view showing a portion (upper right) of FIG. 1. Referring to FIG. 2, the water
그러나 종래 기술에 따른 수전해 분리판(10)은, 예를 들어 다음과 같은 문제점이 있다. However, the water
먼저, 종래 기술에 따른 수전해 분리판(10)은 유체의 유입 및 배출 과정 중 적어도 유입 과정에서 유체(물)의 흐름이 원활(균일)하지 않는 문제점이 있다. 도 1 및 도 2에 보인 바와 같이, 수전해 분리판(10)은 복수의 유로(15a)와, 상기 각 유로(15a)와 유입공(11a)(11b)을 연통시키기 위한 복수의 입구홀(12a)(12b)이 형성되어 있다. 상기 복수의 각 입구홀(12a)(12b)은 유입공(11a)(11b)보다 상당히 작은 직경을 갖는다. 이때, 유체(물)가 유입공(11a)(11b)으로부터 갑자기 직경이 작아진 복수의 각 입구홀(12a)(12b)로 유입(공급)됨에 따라, 예를 들어 와류가 발생되어 유체의 흐름이 원활하지 않고, 복수의 각 입구홀(12a)(12b) 및 각 유로(15a)마다 균일(균등)하게 유입(공급)되기 어렵다. First, the water
아울러, 도 1 및 도 2에는 도시되지 않았지만, 상기 입구홀(12a)(12b)과 유로(15a)는 높이차(단차)를 두고 연통되어 있는데, 상기 입구홀(12a)(12b)에서 유로(15a)로 유입되는 과정에서 상기 높이차(단차)에 의해 소정의 와류가 발생되어 흐름이 원활하지 않다. 배출 과정에서도 위와 같은 문제점이 발생할 수 있다. 이에 따라, 반응성이 떨어지고 유체를 고압의 빠른 속도로 공급하기 어렵다. 이는 결국 수소와 산소의 생산성을 저하시킨다. In addition, although not shown in Figures 1 and 2, the inlet holes (12a) (12b) and the flow path (15a) are connected with a height difference (step difference), and the flow path (12a) is formed in the inlet holes (12a) (12b). In the process of flowing into 15a), a certain vortex is generated due to the height difference (step difference), making the flow not smooth. The above problems may also occur during the discharge process. Accordingly, reactivity is low and it is difficult to supply fluid at high pressure and high speed. This ultimately reduces the productivity of hydrogen and oxygen.
또한, 종래 기술에 따른 수전해 분리판(10)은 반응성 및 흐름 속도가 떨어지는 문제점이 있다. 도 1에 보인 바와 같이, 종래의 수전해 분리판(10)에 형성된 복수의 각 유로(15a)는 입구홀(12a)(유입측)에서부터 시작하여 출구홀(17a)(배출측)까지 길게 형성되되, 복수회로 굴곡된 뱀 모양의 사행(蛇行)(Serpentine) 형상을 갖는다. In addition, the water
구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 각 유로(15a)는 복수의 굴곡점(S)에서 90도 각도로 여러 번 꺾인 굴곡 패턴(사행(蛇行) 형상)을 가지며, 이러한 굴곡 패턴에 의해 매우 긴 길이(흐름 경로)를 갖는다. 이때, 수전해 시 유로(15a)에서는 물의 전기분해에 의해 생성된 가스(수소 및 산소 등)와 함께 기포(foam)가 발생되는데, 위와 같은 굴곡 패턴의 긴 유로(15a)를 통과하는 과정에서 기포가 모아져 뭉치는 현상이 발생된다. 이러한 현상은 상기 굴곡점(S)에서 많이 발생될 수 있다. 이에 따라, 기포에 의해 유체의 반응 및 흐름이 방해되어 반응성 및 흐름 속도가 떨어진다. 이는 결국 수소와 산소의 생산성을 저하시킨다. Specifically, as shown in FIG. 1, each
이에, 본 발명은 일실시예에 따라서 적어도 유체의 흐름성(원활한 흐름)을 개선하여 수소와 산소의 생산성을 향상시킬 수 있는 수전해 분리판 및 이를 포함하는 수전해 셀을 제공하는 데에 목적이 있다. Accordingly, the purpose of the present invention is to provide a water electrolysis separator that can improve the productivity of hydrogen and oxygen by at least improving the flowability (seamless flow) of the fluid and a water electrolysis cell including the same according to one embodiment. there is.
본 발명은 다른 실시예에 따라서 유체의 반응성 및 흐름 속도를 개선하여 수소와 산소의 생산성을 향상시킬 수 있는 수전해 분리판 및 이를 포함하는 수전해 셀을 제공하는 데에 목적이 있다. The purpose of the present invention is to provide a water electrolysis separator that can improve the productivity of hydrogen and oxygen by improving the reactivity and flow rate of the fluid and a water electrolysis cell including the same according to another embodiment.
본 발명은 또 다른 실시예에 따라서 막-전극 접합체(MEA)의 함몰을 방지할 수 있는 수전해 분리판 및 이를 포함하는 수전해 셀을 제공하는 데에 목적이 있다. The purpose of the present invention is to provide a water electrolysis separator capable of preventing collapse of a membrane-electrode assembly (MEA) and a water electrolysis cell including the same according to another embodiment.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, In order to achieve the above object, the present invention,
물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하는 수전해 장치에 사용되는 수전해 분리판(100)으로서, A water electrolysis separator (100) used in a water electrolysis device that electrolyzes water to produce hydrogen and oxygen,
유체가 유입되는 유입공(110); An
상기 유입공(110)으로부터 유입된 유체를 완충시켜 반응 영역(150)의 유로(155)에 공급하는 유입측 버퍼 존(140); an inlet-
상기 유입측 버퍼 존(140)으로부터 공급된 유체가 통과되는 복수의 유로(155)가 형성된 반응 영역(150); A
상기 반응 영역(150)의 유로(155)를 통과한 유체를 완충시켜 배출공(180)으로 공급하는 배출측 버퍼 존(160); 및 a discharge-
상기 배출측 버퍼 존(160)으로부터 공급된 유체가 배출되는 배출공(180)을 포함하는 수전해 분리판(100)을 제공한다. A water
또한, 본 발명은, In addition, the present invention,
물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하는 수전해 장치에 사용되는 수전해 분리판(100)으로서, A water electrolysis separator (100) used in a water electrolysis device that electrolyzes water to produce hydrogen and oxygen,
유체가 유입되는 유입공(110); An
상기 유입공(110)으로부터 유입된 유체가 인입되는 입구홀(120); an
상기 입구홀(120)로부터 인입된 유체가 포집되는 유입측 포집부(125); an inlet-
상기 유입측 포집부(125)에 포집된 유체를 완충시켜 반응 영역(150)의 유로(155)에 공급하는 유입측 버퍼 존(140); an inlet-
상기 유입측 버퍼 존(140)으로부터 공급된 유체가 통과되는 복수의 유로(155)가 형성된 반응 영역(150); A
상기 반응 영역(150)의 유로(155)를 통과한 유체를 완충시켜 배출측 포집부(175)로 공급하는 배출측 버퍼 존(160); a discharge-
상기 배출측 버퍼 존(160)으로부터 공급된 유체가 포집되는 배출측 포집부(175); A discharge
상기 배출측 포집부(175)에 포집된 유체가 토출되는 출구홀(170); 및 an
상기 출구홀(170)로부터 토출된 유체가 배출되는 배출공(180)을 포함하는 수전해 분리판(100)을 제공한다. A water electrolysis separator plate (100) is provided including a discharge hole (180) through which the fluid discharged from the outlet hole (170) is discharged.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)은, 상기 유로(155)의 길이 방향과 직각을 이루며, 상기 반응 영역(150)의 폭(WR) 방향 일측 말단에서부터 타측 말단까지 연장하여 형성된다. 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)은, 상기 유로(155)의 깊이(DP) 및 폭(WP)보다 큰 깊이(DZ) 및 폭(WZ)을 갖도록 형성된다. 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 유로(155)는, 상기 반응 영역(150)의 폭(WR) 방향을 따라 복수개로 형성되되, 상기 복수의 각 유로(155)는 유입측 버퍼 존(140)과 배출측 버퍼 존(160)의 사이에 직선형의 일자 패턴으로 형성된다. According to an embodiment of the present invention, the inlet-
또한, 본 발명은, In addition, the present invention,
물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성하는 수전해 셀(WEC)로서, A water electrolysis cell (WEC) that electrolyzes water to produce hydrogen and oxygen.
제1 수전해 분리판(100)(100A); First water electrolysis separator plate 100 (100A);
제2 수전해 분리판(100)(100B); 및 Second water electrolysis separator plate 100 (100B); and
상기 제1 수전해 분리판(100)(100A)과 제2 수전해 분리판(100)(100B)의 사이에 설치된 막-전극 접합체(200)를 포함하고, It includes a membrane-electrode assembly (200) installed between the first water electrolytic separator plate (100) (100A) and the second water electrolytic separator plate (100) (100B),
상기 제1 수전해 분리판(100)(100A) 및 제2 수전해 분리판(100)(100B) 중에서 선택된 하나 이상은, 상기 본 발명에 따른 수전해 분리판(100)으로 구성된 수전해 셀(WEC)을 제공한다. 이때, 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 수전해 분리판(100)에는, 상기 막-전극 접합체(200)가 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)으로 함몰되는 것을 방지하는 함몰 방지 부재(300)가 설치된다. At least one selected from the first water electrolytic separator plate 100 (100A) and the second water electrolytic separator plate 100 (100B) is a water electrolysis cell composed of the water
또한, 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 함몰 방지 부재(300)는 유체 투과성이고, 하기 (a) 내지 (c) 중에서 선택된 하나 이상의 다공성 부재(310)(320)를 포함한다. Additionally, according to an embodiment of the present invention, the
(a) 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160) 상에 설치되고, 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)을 덮을 수 있는 크기를 가지는 다공성 부재(310) (a) A porous member installed on the inlet-
(b) 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160) 내에 삽입 설치되고, "ㄷ" 자형 또는 "ㅁ" 자형의 단면을 가지는 다공성 부재(320) (b) a
(c) 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160) 내에 삽입 설치되고, 복수개로 적층된 다공성 부재 (c) a porous member inserted into and installed in the inlet-
본 발명에 따르면, 유체의 흐름을 완충시키는 버퍼 존(140)(160)에 의해 유체의 흐름성이 개선되는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 반응 영역(150)의 폭(WR) 방향을 따라 직선형(일자형)으로 복수개 형성된 일자 패턴의 유로(155)에 의해 유체의 반응성 및 흐름 속도가 개선되는 효과를 갖는다. 이를 통해, 본 발명은 적어도 수소와 산소의 생산성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 본 발명에 따르면, 함몰 방지 부재(300)에 의해 막-전극 접합체(200)가 버퍼 존(140)(160)으로 함몰되는 것이 방지되는 효과를 갖는다. According to the present invention, the flowability of the fluid is improved by the
도 1은 종래 기술에 따른 수전해 분리판의 정면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 수전해 분리판의 일부분 절단 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 수전해 분리판의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수전해 분리판의 정면도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 수전해 분리판의 일부분 절단 사시도로서, 도 4의 우측 상단을 보인 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수전해 셀의 분리 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수전해 셀의 요부 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수전해 셀의 요부 단면도이다. Figure 1 is a front view of a water electrolysis separator according to the prior art.
Figure 2 is a partially cut perspective view of a water electrolysis separator according to the prior art.
Figure 3 is a perspective view of a water electrolysis separator according to the first embodiment of the present invention.
Figure 4 is a front view of a water electrolysis separator according to a second embodiment of the present invention.
Figure 5 is a partially cut perspective view of the water electrolysis separator plate according to the second embodiment of the present invention, showing the upper right corner of Figure 4.
Figure 6 is an exploded perspective view of a water electrolysis cell according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a cross-sectional view of the main portion of a water electrolysis cell according to another embodiment of the present invention.
Figure 8 is a cross-sectional view of the main part of a water electrolysis cell according to another embodiment of the present invention.
본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다. 본 발명에서 "제1", "제2", "일측" 및 "타측" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되며, 각 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. The term “and/or” used in the present invention is used to include at least one of the components listed before and after. The term “one or more” used in the present invention means a plurality of one or two or more. In the present invention, terms such as “first,” “second,” “one side,” and “the other side” are used to distinguish one component from another component, and each component is limited by the terms. That is not the case.
본 발명은, 제1형태에 따라서 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성(생산)하는 수전해 장치용 분리판, 즉 수전해 장치(물의 전기분해 장치)에 사용되는 수전해 분리판을 제공한다. 본 발명은, 제2형태에 따라서 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성(생산)하는 수전해 셀(water electrolysis cell)로서, 본 발명에 따른 수전해 분리판을 포함하는 수전해 셀을 제공한다. 또한, 본 발명은, 제3형태에 따라서 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생성(생산)하는 수전해 스택(water electrolysis stack)으로서, 본 발명의 제1형태에 따른 수전해 분리판 또는 본 발명의 제2형태에 따른 수전해 셀을 포함하는 수전해 스택을 제공한다. The present invention provides a separator for a water electrolysis device that electrolyzes water to generate (produce) hydrogen and oxygen, that is, a water electrolysis separator used in a water electrolysis device (water electrolysis device) according to the first aspect. . The present invention is a water electrolysis cell that generates (produces) hydrogen and oxygen by electrolyzing water according to the second form, and provides a water electrolysis cell including a water electrolysis separator according to the present invention. . In addition, the present invention is a water electrolysis stack that generates (produces) hydrogen and oxygen by electrolyzing water according to the third aspect, and is a water electrolysis separator according to the first aspect of the present invention or the present invention. A water electrolysis stack including a water electrolysis cell according to the second aspect is provided.
본 발명에 따라 생성된 수소와 산소는 연료전지의 원료(연료 및 산화제)로 유용하게 사용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 수전해 셀 및/또는 수전해 스택을 통해 생성된 수소는 연료전지의 연료로 유용하게 사용되고, 상기 수소와 함께 생성된 산소는 연료전지의 산화제로 유용하게 사용될 수 있다. 본 발명의 실시형태에 따라서, 본 발명에 따른 수전해 셀 및/또는 수전해 스택은 연료전지 시스템의 구성요소로 포함되어, 연료전지에 수소와 산소를 공급할 수 있다. Hydrogen and oxygen produced according to the present invention can be usefully used as raw materials (fuel and oxidizer) for fuel cells. In other words, hydrogen generated through the water electrolysis cell and/or water electrolysis stack according to the present invention can be usefully used as a fuel for a fuel cell, and oxygen generated together with the hydrogen can be usefully used as an oxidizing agent in a fuel cell. According to an embodiment of the present invention, the water electrolysis cell and/or the water electrolysis stack according to the present invention can be included as components of a fuel cell system and supply hydrogen and oxygen to the fuel cell.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예를 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한 것으로, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된다. 첨부된 도면에서, 각 구성요소의 영역을 명확하게 표현하기 위해 두께는 확대하여 나타낸 것일 수 있고, 도면에 나타낸 두께, 크기 및 비율 등에 의해 본 발명의 기술적 범위가 제한되는 것은 아니다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the attached drawings. The attached drawings illustrate exemplary embodiments of the present invention, which are provided solely to aid understanding of the present invention. In the attached drawings, the thickness may be enlarged to clearly express the area of each component, and the technical scope of the present invention is not limited by the thickness, size, and ratio shown in the drawings.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 수전해 분리판(100)의 사시도이다. 도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수전해 분리판(100)의 정면도이고, 도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 수전해 분리판(100)의 일부분 절단 사시도로서, 이는 도 4의 우측 상단을 보인 사시도이다. Figure 3 is a perspective view of the water
도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 수전해 분리판(100)은 판(plate) 형상의 분리판 본체(100')를 포함한다. 상기 분리판 본체(100')는 적절한 기계적 강도와 전기전도성을 가지는 재질로부터 선택된다. 상기 분리판 본체(100')는, 예를 들어 금속재 및/또는 탄소재 등으로 구성될 수 있다. 상기 탄소재는 흑연(graphite) 등을 예로 들 수 있다. 상기 분리판 본체(100')는, 다른 예를 들어 비전도성의 판형 성형체(예, 수지 성형체)의 표면에 전기전도성의 물질(예, 금속이나 흑연 등)이 코팅되어 구성될 수 있다. 상기 분리판 본체(100')는, 예를 들어 대략 사각형의 형상을 가질 수 있다. 상기 분리판 본체(100')의 크기(가로 및 세로의 길이)와 두께는 제한되지 않으며, 이는 수전해 장치의 규격(사양) 및/또는 종류 등에 따라 다양한 크기와 두께를 가질 수 있다. Referring to FIG. 3, the water
본 발명에 따른 수전해 분리판(100)은, 외부로부터 유체가 유입되는 유입공(110); 유입된 유체가 반응(전기분해)되는 반응 영역(150); 및 반응된 유체가 배출되는 배출공(180)을 포함하되, 본 발명의 실시예에 따라서 유입측 및 배출측에 형성된 유입측 버퍼 존(Input buffer zone)(140) 및 배출측 버퍼 존(Output buffer zone)(160)을 포함한다. 상기 각 구성요소들(110)(140)(150)(160)(180)은 분리판 본체(100')의 성형 과정에서 분리판 본체(100')에 형성되거나, 분리판 본체(100')의 성형 후에 별도의 가공을 통해 형성될 수 있다. 상기 가공은, 예를 들어 레이저(Laser)나 전자빔(Electron Beam) 등을 이용한 절삭 가공, 및/또는 전동 드릴 등을 이용한 드릴링(천공) 등을 예로 들 수 있다. The
본 발명의 제1실시예에 따라서, 본 발명에 따른 수전해 분리판(100)은 소정 두께를 가지는 판 형상의 분리판 본체(100')를 포함하되, 상기 분리판 본체(100')의 유입측(도 3에서, 하측)에는 분리판 본체(100')의 외부로부터 유체가 유입되는 유입공(110)과, 상기 유입공(110)으로부터 유입된 유체를 완충시켜 반응 영역(150)의 유로(155)에 공급하는 유입측 버퍼 존(140)이 형성되고, 상기 분리판 본체(100')의 중앙 영역에는 상기 유입측 버퍼 존(140)으로부터 공급된 유체가 통과되는 반응 영역(150)이 형성되어 있다. 그리고 상기 분리판 본체(100')의 배출측(도 3에서, 상측)에는 상기 반응 영역(150)의 유로(155)를 통과한 유체를 완충시켜 배출공(180)으로 공급하는 배출측 버퍼 존(160)과, 상기 배출측 버퍼 존(160)으로부터 공급된 유체가 배출되는 배출공(180)이 형성되어 있다. 상기 유입공(110)을 통해 유입된 유체(반응 유체)는 유입측 버퍼 존(140)을 따라 흐르면서 완충되어 반응 영역(150)으로 공급되고, 상기 반응 영역(150)을 통과한 유체(생성 유체)는 배출측 버퍼 존(160)을 따라 흐르면서 완충되어 배출공(180)을 통해 분리판 본체(100')의 외부로 배출된다. According to the first embodiment of the present invention, the water
본 발명에서, 유체는 수전해 장치에 사용되는 반응 유체(반응물)와 반응에 의해 생성된 생성 유체(생성물)로서, 이는 주지된 바와 같다. 상기 반응 유체(반응물)는 유입공(110)으로 유입되는 유체로서, 이는 수전해의 원료로서 사용되는 물, 물을 포함하는 전해액 및/또는 물을 포함하는 알칼리액 등을 예로 들 수 있다. 상기 생성 유체(생성물)는 배출공(180)을 통해 배출되는 유체로서, 목적물로서의 수소와 산소를 포함하되, 수소와 산소 이외에 부산물로서의 오존이나 미반응물 등을 더 포함할 수 있다. In the present invention, the fluid is a product fluid (product) produced by reaction with a reaction fluid (reactant) used in a water electrolysis device, which is well known. The reaction fluid (reactant) is a fluid that flows into the
상기 유입공(110)은 분리판 본체(100')의 외부에 설치된 유체 유입라인(도시하지 않음)과 연통되며, 이를 통해 수전해 스택의 외부에서 반응 유체(물이나 전해액 등)가 유입된다. 상기 배출공(180)은 분리판 본체(100')의 외부에 설치된 유체 배출라인(도시하지 않음)과 연통되며, 이를 통해 수전해 스택의 외부로 생성 유체(수소와 산소 등)가 배출된다. 상기 유입공(110) 및 배출공(180)은 분리판 본체(100')의 두께 방향으로 관통되어 형성된다. The
상기 반응 영역(150)은 물의 전기분해가 진행되는 영역으로서, 이는 주지된 바와 같이 유로(155)가 형성된 부분을 의미한다. 상기 반응 영역(150)에는 유체가 흐르면서 반응되는 복수의 유로(155)가 형성되어 있다. 상기 반응 영역(150)은 수전해 스택의 규격(크기), 형태, 종류 및/또는 수전해 분리판(100)의 설치 위치 등에 따라 분리판 본체(100')의 한 면 또는 양면에 형성될 수 있다. 즉, 상기 유로(155)는 분리판 본체(100')의 정면에만 형성되거나, 정면 및 배면 모두에 형성될 수 있다. 도 3은 분리판 본체(100')의 일면에 유로(155)가 형성된 모습을 예시한 것이다. 상기 유로(155)는 통상과 같이 분리판 본체(100')에 소정의 깊이(DP)와 폭(WP)을 가지면서 랜드(152)와 교대로 번갈아가며 반응 영역(150)에 복수개 형성된다. The
상기 버퍼 존(140)(160)은, 유체가 흐를 수 있는 홈(groove) 형상을 가지며, 이는 분리판 본체(100')의 유입측 및 배출측에 소정의 깊이(DZ)와 폭(WZ)을 갖도록 형성된다. 상기 버퍼 존(140)(160)은, 예를 들어 "ㄷ"자형, "U"자형 또는 "C"자형 등의 단면 형상을 가질 수 있다. 본 발명에 따르면, 상기 버퍼 존(140)(160)에 의해, 적어도 유체의 흐름이 완충되어 유체의 흐름성이 개선된다. 구체적으로, 유입 과정을 예로 들면, 유체(물)가 유입공(110)을 통해 고압(고속)으로 유입되더라도 유입공(110)으로 유입된 유체는 유로(155)에 공급되기 전에 유입측 버퍼 존(140)을 흐르면서 완충되어, 와류의 형성 없이 원활한 흐름으로 복수의 각 유로(155)에 공급된다. 이와 함께 유체는 유입측 버퍼 존(140)에 의해 어느 한 유로(155)에 편중됨이 없이 복수의 각 유로(155)에 균일(균등)하게 공급된다. 배출 과정에서도 유체는 배출측 버퍼 존(160)에 의한 완충 작용으로 원활한 흐름으로 배출된다. 이에 따라, 본 발명에 따르면, 유체가 원활하고 균일한 흐름으로 복수의 각 유로(155)를 통과하게 되어, 유로(155)에서의 반응성이 향상되고, 어느 한 유로(155)에 편중됨이 없이 복수의 유로(155) 전체에 걸쳐, 즉 반응 영역(150) 전체에 걸쳐 균일한 반응이 진행될 수 있다. 또한, 유체를 고압의 빠른 속도로 공급할 수 있다. 이를 통해 수소와 산소의 생산성을 향상시킬 수 있다. The
도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 수전해 분리판(100)은, 상기 유입공(110)과 유입측 버퍼 존(140)의 사이에 형성되어, 이들(110)(140)을 연통시키는 입구홀(120)과, 상기 배출측 버퍼 존(160)과 배출공(180)의 사이에 형성되어, 이들(160)(180)을 연통시키는 출구홀(170)을 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 입구홀(120)과 유입측 버퍼 존(140)의 사이에 형성된 유입측 포집부(125)와, 상기 배출측 버퍼 존(160)과 출구홀(170)의 사이에 형성된 배출측 포집부(175)가 형성될 수 있다. Referring to Figures 4 and 5, the water
구체적으로, 도 4 및 도 5를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 수전해 분리판(100)은 소정 두께를 가지는 판 형상의 분리판 본체(100')를 포함하되, 상기 분리판 본체(100')의 유입측(도 4에서, 상측)에는 분리판 본체(100')의 외부로부터 유체가 유입되는 유입공(110)과, 상기 유입공(110)으로부터 유입된 유체가 인입되는 입구홀(120)과, 상기 입구홀(120)로부터 인입된 유체가 포집되는 유입측 포집부(125)와, 상기 유입측 포집부(125)에 포집된 유체를 완충시켜 반응 영역(150)의 유로(155)에 공급하는 유입측 버퍼 존(140)이 형성되어 있다. 그리고 상기 분리판 본체(100')의 중앙 영역에는 상기 유입측 버퍼 존(140)으로부터 공급된 유체가 통과되는 반응 영역(150)이 형성되어 있다. 또한, 상기 분리판 본체(100')의 배출측(도 4에서, 하측)에는 상기 반응 영역(150)의 유로(155)를 통과한 유체를 완충시켜 배출측 포집부(175)로 공급하는 배출측 버퍼 존(160)과, 상기 배출측 버퍼 존(160)으로부터 공급된 유체가 포집되는 배출측 포집부(175)와, 상기 배출측 포집부(175)에 포집된 유체가 토출되는 출구홀(170)과, 상기 출구홀(170)로부터 토출된 유체가 배출되는 배출공(180)이 배출공(180)이 형성되어 있다. 상기 유입공(110)을 통해 유입된 유체(반응 유체)는 입구홀(120)을 통해 유입측 포집부(125)로 모아진 후, 유입측 버퍼 존(140)을 따라 반응 영역(150)으로 공급되고, 상기 반응 영역(150)을 통과한 유체(생성 유체)는 배출측 버퍼 존(160)을 따라 배출측 포집부(175)로 모아진 후, 출구홀(170)을 따라 배출공(180)을 통해 분리판 본체(100')의 외부로 배출된다. Specifically, referring to Figures 4 and 5, the water
도 4 및 도 5에 보인 수전해 분리판(100)는 양면(정면 및 배면)에서 유체의 흐름을 가지는 양면 스택용을 예시한 것이다. 도 4 및 도 5를 참고하면, 상기 유입공(110)은 제1 유입공(110)(110a)과 제2 유입공(110)(110b)을 포함하고, 상기 입구홀(120)은 제1 입구홀(120)(120a)과 제2 입구홀(120)(120b)을 포함할 수 있다. 상기 출구홀(170)은 제1 출구홀(170)(170a)와 제2 출구홀(170)(170b)을 포함하고, 상기 배출공(180)은 제1 배출공(180)(180a)과 제2 배출공(180)(180b)을 포함할 수 있다. 그리고 나머지 각 구성요소들(125)(140)(150)(155)(160)(175)은 도 4 및 도 5에 보인 같은 구조로 분리판 본체(100')의 정면과 배면에 형성될 수 있다. 또한, 상기 분리판 본체(100')에는 가스킷 패킹홈(190)이 형성될 수 있다. The water
상기 입구홀(120) 및 출구홀(170)은 각각 복수개로 형성될 수 있다. 상기 입구홀(120)은 유입공(120)과 유입측 포집부(125)을 연통(연결)시키고, 상기 출구홀(170)은 배출측 포집부(175)와 배출공(180)을 연통(연결)시킨다. 상기 유입측 포집부(125)는 입구홀(120)로부터 인입된 유체를 포집하여 유입측 버퍼 존(140)에 공급한다. 또한, 상기 배출측 포집부(175)은 배출측 버퍼 존(160)으로부터 공급된 유체를 포집하여 출구홀(170)로 공급한다. 이때, 상기 유입측 버퍼 존(140)은 유입측 포집부(125)에 포집된 유체(반응 유체)를 유입, 완충시켜, 와류의 형성 없이 원활한 흐름으로 복수의 각 유로(155)에 균일(균등)하게 공급한다. 아울러, 상기 배출측 버퍼 존(160)은 반응 영역(150)을 통과한 유체(생성 유체)를 완충시켜, 와류의 형성 없이 원활한 흐름으로 배출측 포집부(175)로 공급하여 포집되게 한다.The
도 5는 도 4의 우측 상단을 절단하여 도시한 사시도이다. 도 5를 참고하면, 상기 분리판 본체(100')는 정면을 형성하는 정면부(10A)와 배면을 형성하는 배면부(10B)를 갖는다. 이때, 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 정면부(10A)와 배면부(10B)는 일체 구조의 1장으로 구성될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 수전해 분리판(100)은, 종래와 같이 정면부(10A)와 배면부(10B)가 2장의 판(정면판과 배면판)으로 각각 별도로 제작된 다음, 용접이나 접착제 등에 의해 접합되지 않고, 분리판 본체(100')의 성형 시 정면부(10A)와 배면부(10B)가 한 번의 성형을 통해 일체 구조의 1장으로 구성된다. 본 발명에서, 「정면부(10A)와 배면부(10B)가 일체로 구성된 것」이란, 수전해 분리판(100)이 2장의 접합을 통해 구성되지 않고, 일체 성형을 통해 1장(정면판과 배면판의 일체 성형)으로 구성된 것을 의미한다. Figure 5 is a perspective view cut off the upper right corner of Figure 4. Referring to FIG. 5, the separator main body 100' has a
또한, 상기 입구홀(120) 및 출구홀(170)은 홀 가공수단(500)을 이용한 홀 가공(천공)을 통해 형성된다. 상기 입구홀(120) 및 출구홀(170)의 개수는 특별히 제한되지 않으며, 이들(120)(170)은 홀 가공(천공)을 통해 각각 복수개로 형성될 수 있다. 구체적인 실시예에 따라서, 상기 입구홀(120) 및 출구홀(170)은 홀 가공수단(500)을 이용한 홀 가공에 의해 분리판 본체(100')의 테두리(101)를 관통하여 형성된다. 보다 구체적으로, 홀 가공수단(500)의 홀 가공 툴(520)을 분리판 본체(100')의 측면(101')에 위치시킨 다음, 홀 가공수단(500)을 작동시켜 상기 홀 가공 툴(520)이 테두리(101)를 천공하여 관통되게 한다. 이때, 테두리(101)에는 관통홀(102)이 형성된다. 이후, 홀 가공 툴(520)이 유입공(110)을 통과되게 한 다음, 해당 위치에 입구홀(120)을 형성시킬 수 있다. 위와 동일한 방법으로 홀 가공 툴(520)이 테두리(101)를 관통하고, 이후 배출공(180)을 통과되게 한 다음, 해당 위치에 출구홀(170)을 형성시킬 수 있다. 상기 홀 가공수단(500)은, 예를 들어 드릴(전동 드릴 등)을 예로 들 수 있다. In addition, the
상기 홀 가공에 의해 분리판 본체(100')의 테두리(101)에는 관통홀(102)이 형성되는데, 상기 관통홀(102)은 밀봉수단(105)에 의해 밀봉된다. 이러한 밀봉에 의해, 유입공(110) 및 배출공(180) 내의 유체가 관통홀(102)을 통해 유출되는 것이 방지된다. 상기 밀봉수단(105)은 관통홀(102)을 밀봉시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 밀봉수단(105)은 수지재, 섬유재, 금속재, 탄소재 및/또는 세라믹재 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 밀봉은, 예를 들어 고무계 수지, 실리콘계 수지 및/또는 합성수지 폼 등의 패킹재를 관통홀(102)에 패킹하는 방법; 상기 관통홀(102)을 용접하여 밀봉시키는 방법; 및/또는 체결구(나사 등)를 관통홀(102)에 삽입, 체결하여 밀봉시키는 방법 등을 예로 들 수 있으나, 이들에 의해 한정되는 것은 아니다. 하나의 예시에서, 상기 밀봉은 밀봉수단(105)으로서 체결구(나사 등)와 패킹재(예를 들어, 실리콘계 등)를 사용하되, 먼저 상기 관통홀(102)에 패킹재(예를 들어, 실리콘계 등)를 삽입한 다음, 상기 패킹재 상에 체결구(나사 등)를 가압 체결하는 방법으로 진행할 수 있다. Through the hole processing, a through
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 수전해 분리판(100)은 상기 반응 영역(150)을 제외한 표면에 절연 코팅층(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 상기 절연 코팅층은 절연성을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 바람직하게는 산성 및/또는 알칼리성 용액에서 절연성을 가지는 것이면 좋다. 상기 절연 코팅층은, 예를 들어 불소계, 실리콘계, 고무계, 아크릴계, 네오프렌계, 부타디엔계 및/또는 이들의 공중합체 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 절연성 조성물이 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 절연 코팅층은, 구체적인 예를 들어 폴리페닐렌설파이드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트, 고무계 수지, 네오프렌, 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴 및/또는 폴리아크릴로니트릴-부타디엔스타이렌 공중합체 등을 포함하는 절연성 조성물을 이용할 수 있다. According to another embodiment of the present invention, an insulating coating layer (not shown) may be formed on the surface of the water
또한, 상기 절연 코팅층은, 예를 들어 마스킹(masking) 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 분리판 본체(100')의 반응 영역(150)에 마스크(mask)를 부착한 다음, 상기 절연성 조성물을 분리판 본체(100')에 분사 코팅 및/또는 함침 코팅하여 절연 코팅층을 형성할 수 있다. 이러한 마스킹 방법에 의해, 반응 영역(150)을 제외한 표면에 절연 코팅층이 형성될 수 있다. 이와 같은 절연 코팅층이 형성된 경우, 예를 들어 누설 전류 등의 전기적 특성이 개선된다. Additionally, the insulating coating layer may be formed by, for example, a masking method. For example, a mask is attached to the
한편, 도 3 내지 도 5를 참고하면, 상기 버퍼 존(140)(160)은 소정의 깊이(DZ)와 폭(WZ)을 가지는 홈 형상으로서, 이는 유로(155)의 깊이(DP)보다 큰 깊이(DZ)를 갖도록 형성된다. 즉, 도 3 내지 도 5에서, DP < DZ이다. 이와 같이 버퍼 존(140)(160)이 유로(155)의 깊이(DP)보다 더 깊은 깊이(DZ)를 가지는 경우(DP < DZ), 예를 들어 유체의 유입 시에 유체가 버퍼 존(140)의 전체 영역에 채워진 다음 각 유로(155)에 공급되어, 완충 작용 및 균일 공급이 향상될 수 있다. 특별히 한정하는 것은 아니만, 상기 유로(155)의 깊이(DP)는 예를 들어 약 0.01mm ~ 2mm 범위로 형성되고, 상기 버퍼 존(140)(160)의 깊이(DZ)는 예를 들어 약 0.5mm ~ 10mm 범위로 형성될 수 있다. Meanwhile, referring to FIGS. 3 to 5, the
또한, 상기 버퍼 존(140)(160)은 유체 흐름의 완충 작용 및 균일한 공급을 위해 유로(155)의 폭(WP)보다 큰 폭(WZ)을 가질 수 있다. 특별히 한정하는 것은 아니만, 상기 유로(155)의 폭(WP)은 예를 들어 0.05mm ~ 5mm 범위로 형성되고, 상기 버퍼 존(140)(160)의 폭(WZ)은 예를 들어 약 2mm ~ 15mm 범위로 형성될 수 있다. 아울러, 생성 유체(수소와 산소)의 원활한 배출을 위해, 유입측 버퍼 존(140)보다 배출측 버퍼 존(160)의 폭(WZ)이 더 크게 형성될 수 있다. Additionally, the
상기 버퍼 존(140)(160)은 유로(155)의 길이 방향(유체의 흐름 방향)과 거의 직각을 이루며 길게 형성된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 버퍼 존(140)(160)은 반응 영역(150)의 폭(WR) 방향 일측 말단에서부터 타측 말단까지 연장하여 길게 형성된다. 구체적으로, 도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 버퍼 존(140)(160)은 반응 영역(150)의 좌측 말단에 형성된 유로(155)에서부터 반응 영역(150) 우측 말단에 형성된 유로(155)까지 해당되는 길이(LZ)를 갖는다. 즉, 상기 버퍼 존(140)(160)의 길이(LZ)는 반응 영역(150)의 폭(WR)과 같다.(도 3 내지 도 5에서, LZ = WR) The
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 버퍼 존(140)(160)은 아래의 (1) 내지 (4)를 만족한다. According to an embodiment of the present invention, the
(1) 유로(155)의 길이 방향(유체의 흐름 방향)과 직각을 이루며 유입측 및 배출측에 소정의 길이(LZ)로 형성 (1) It is perpendicular to the longitudinal direction (fluid flow direction) of the
(2) DP < DZ (DP : 유로(155)의 깊이, DZ : 버퍼 존(140)(160)의 깊이) (2) D P < D Z (D P : depth of
(3) WP < WZ (WP : 유로(155)의 폭, WZ : 버퍼 존(140)(160)의 폭) (3) W P < W Z (W P : width of
(4) LZ = WR (LZ : 버퍼 존(140)(160)의 길이, WR : 반응 영역(150)의 폭) (4) L Z = W R (L Z : length of
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 유로(155)는 반응 영역(150)의 폭(WR) 방향을 따라 복수개로 형성되되, 상기 복수의 각 유로(155)는 유입측 버퍼 존(140)과 배출측 버퍼 존(160)의 사이에 직선형의 일자 패턴으로 형성된다. In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, a plurality of
본 발명에서, 「일자 패턴」은, 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 유로(155)가 반응 영역(150)의 전체 영역에 걸쳐 굴곡됨이 없이 직선으로 복수개 배열 형성되되, 각 유로(155)의 양 말단이 유입측 버퍼 존(140)과 배출측 버퍼 존(160)에 연결(연통)되어, 유체가 유입측 버퍼 존(140)과 배출측 버퍼 존(160)의 사이를 직선형(일자형)으로 흐를 수 있는 유로 패턴을 의미한다. 즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서, 상기 복수의 각 유로(155)는 종래의 굴곡점(S)(도 1 참고)에서 여러 번 꺾인 굴곡 패턴(사행(蛇行) 형상)을 탈피하고, 상기 유입측 버퍼 존(140)과 배출측 버퍼 존(160)을 직선으로 연결하는 일자 패턴을 갖는다. In the present invention, the “straight pattern” is a plurality of
본 발명에 따르면, 상기 일자 패턴의 유로(155), 즉 직선형(일자형)의 유로(155)에 의해, 반응 영역(150)을 통과하는 유체의 흐름 경로가 짧고, 유체가 굴곡됨이 없이 직선으로 흐르게 되어 기포(foam)의 뭉침 현상이 방지된다. 이에 따라, 기포에 의해 유체의 반응 및 흐름이 방해되지 않아 반응성 및 흐름 속도가 향상된다. 이를 통해 수소와 산소의 생산성을 향상시킬 수 있다. 상기 일자 패턴의 유로(155)는, 본 발명의 실시예에 따라서 분리판 본체(100')의 유입측 및 배출측에 버퍼 존(140)(160)이 형성되어 있되, 상기 버퍼 존(140)(160)이 유로(155)의 길이 방향(유체의 흐름 방향)과 직각을 이루며 형성되고, 이와 함께 상기 버퍼 존(140)(160)이 반응 영역(150)의 폭(WR) 방향을 따라 일측 말단에서부터 타측 말단까지 길게 연장하여 형성(도 3 내지 도 5에서, LZ = WR)되어 있기 때문에 구현이 가능하다. 즉, 본 발명에서, 상기 버퍼 존(140)(160)의 형성 여부와, 상기 버퍼 존(140)(160)의 형성 위치, 형성 방향 및 길이(LZ)는 유체의 흐름성(완충 작용 및 균일 공급)을 개선함과 동시에 위와 같은 일자 패턴의 유로(155)가 구현(형성)되게 한다는 점에서도 기술적 의의를 갖는다. According to the present invention, by the straight
또한, 도 4 및 도 5를 참고하면, 상기 포집부(125)(175)는, 유체가 흐를 수 있는 홈(groove) 형상을 가지며, 이는 분리판 본체(100')의 유입측 및 배출측에 소정의 깊이와 폭을 갖도록 형성된다. 상기 포집부(125)(175)는 버퍼 존(140)(160)보다 폭은 좁고 깊이는 더 깊은 깊이를 가질 수 있다. 아울러, 상기 포집부(125)(175)는 버퍼 존(140)(160) 내의 일측에 형성되되, 상기 입구홀(120)/출구홀(170) 및 버퍼 존(140)(160)과 연통(연결)되도록 형성된다. 보다 구체적으로, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 유입측 포집부(125)는 유입측 버퍼 존(140) 내의 일측(도 4에서, 우측)에 입구홀(120)이 형성된 영역과 거의 동일한 길이로 형성되되, 상기 입구홀(120) 및 유입측 버퍼 존(140)과 연통되게 형성되고, 상기 배출측 포집부(175)는 배출측 버퍼 존(160) 내의 일측(도 4에서, 좌측)에 출구홀(170)이 형성된 영역과 동일한 길이로 형성되되, 상기 출구홀(170) 및 배출측 버퍼 존(160)과 연통되게 형성될 수 있다. In addition, referring to Figures 4 and 5, the
이하에서는, 도 6 내지 도 8을 참고하여, 본 발명에 따른 수전해 셀(WEC)의 실시예를 설명하면서 본 발명에 따른 수전해 스택의 실시예를 함께 설명한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수전해 셀(WEC)의 분리 사시도이다. 도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수전해 셀(WEC)의 요부 단면도이다. Hereinafter, with reference to FIGS. 6 to 8, an embodiment of a water electrolysis cell (WEC) according to the present invention will be described, along with an embodiment of a water electrolysis stack according to the present invention. Figure 6 is an exploded perspective view of a water electrolysis cell (WEC) according to an embodiment of the present invention. 7 and 8 are cross-sectional views of the main portion of a water electrolysis cell (WEC) according to another embodiment of the present invention.
도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 수전해 셀(WEC)은 막-전극 접합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)(200)와, 상기 막-전극 접합체(200)의 양측(도 6에서, 하측 및 상측)에 설치된 수전해 분리판(100)(100A)(100B)을 포함한다. 구체적으로, 본 발명에 따른 수전해 셀(WEC)은, 제1 수전해 분리판(100)(100A); 제2 수전해 분리판(100)(100B); 및 상기 제1 수전해 분리판(100)(100A)과 제2 수전해 분리판(100)(100B)의 사이에 설치된 막-전극 접합체(200)를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 제1 수전해 분리판(100)(100A) 및 제2 수전해 분리판(100)(100B) 중에서 선택된 적어도 하나 이상은 전술한 바와 같은 본 발명의 수전해 분리판(100)으로 구성된다. 도 6은 도 3에 보인 수전해 분리판(100)이 제1 수전해 분리판(100)(100A) 및 제2 수전해 분리판(100)(100B)으로 적용된 모습을 예시한 것이다. Referring to FIG. 6, the water electrolysis cell (WEC) according to the present invention includes a membrane-electrode assembly (MEA) 200, and both sides (in FIG. 6, the lower and lower sides) of the membrane-
본 발명에 따른 수전해 스택은, 하나의 실시예에 따라서 상기 본 발명의 수전해 셀(WEC)이 복수개로 적층된 수전해 모듈을 포함하되, 상기 수전해 모듈의 양측에는 집전판 및/또는 엔드 플레이트가 체결된 구조를 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 수전해 셀(WEC) 및 수전해 스택은, 통상과 같이 가스킷(Gasket)을 더 포함할 수 있으며, 상기 가스킷은 수전해 셀(WEC) 및 수전해 스택의 측면에 설치되거나, 상기 수전해 분리판(100)(100A)(100B)과 막-전극 접합체(200)의 사이에 설치될 수 있다. 이때, 상기 가스킷이 수전해 분리판(100)(100A)(100B)과 막-전극 접합체(200)의 사이에 설치되는 경우, 상기 가스킷은 수전해 분리판(100)(100A)(100B)에 형성된 가스킷 패킹홈(190)(도 4 및 도 5 참고)에 설치될 수 있다. According to one embodiment, the water electrolysis stack according to the present invention includes a water electrolysis module in which a plurality of water electrolysis cells (WEC) of the present invention are stacked, and current collector plates and/or ends are provided on both sides of the water electrolysis module. It may have a structure in which plates are fastened. In addition, the water electrolysis cell (WEC) and the water electrolysis stack according to the present invention may further include a gasket as usual, and the gasket is installed on the side of the water electrolysis cell (WEC) and the water electrolysis stack. , It can be installed between the water electrolytic separator plate 100 (100A) (100B) and the membrane-
본 발명에서, 상기 막-전극 접합체(200)는 특별히 제한되지 않으며, 이는 통상과 같이 구성될 수 있다. 상기 막-전극 접합체(200)는 통상과 같이 중앙의 이온 교환막과, 상기 이온 교환막의 양면에 형성된 전극층(양극 촉매층 및 음극 촉매층)을 포함한다. 상기 막-전극 접합체(200)는 다른 실시예에 따라서 상기 전극층(양극 촉매층 및 음극 촉매층) 상에 형성된 가스 확산층을 더 포함할 수 있다. In the present invention, the membrane-
도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 수전해 셀(WEC)(또는 수전해 스택)은, 본 발명의 실시예에 따라서 함몰 방지 부재(300)를 더 포함한다. 구체적으로, 상기 수전해 분리판(100)에는, 상기 막-전극 접합체(200)가 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)으로 함몰되는 것을 방지하는 함몰 방지 부재(300)가 설치된다. 하나의 실시예에 따라서, 본 발명에 따른 수전해 셀(WEC)은 막-전극 접합체(200)와, 상기 막-전극 접합체(200)의 양측(도 6에서, 하측 및 상측)에 설치된 제1 수전해 분리판(100)(100A) 및 제2 수전해 분리판(100)(100B)을 포함하되, 상기 제1 수전해 분리판(100)(100A) 및 제2 수전해 분리판(100)(100B) 중에서 선택된 하나 이상에는 함몰 방지 부재(300)가 설치된다. 도 6은 제1 수전해 분리판(100)(100A) 상에 함몰 방지 부재(300)가 설치된 모습을 예시한 것이다. Referring to FIG. 6, the water electrolysis cell (WEC) (or water electrolysis stack) according to the present invention further includes a
상기 막-전극 접합체(200)는 2개의 수전해 분리판(100)(100A)(100B) 사이에 설치(개재)되는데, 예를 들어 반응에 의한 가스 발생 등으로 막-전극 접합체(200)가 팽창되는 경우, 상기 홈 형상의 버퍼 존(140)(160)으로 막-전극 접합체(200)가 함몰될 수 있다. 즉, 본 발명에 따라서 상기 수전해 분리판(100)(100A)(100B)에는 유로(155)보다 큰 깊이(DZ)와 폭(WZ)을 가지는 홈 형상의 버퍼 존(140)(160)이 형성되어 있음으로 인해, 가스 발생 등으로 인한 막-전극 접합체(200)의 팽창 시 막-전극 접합체(200)가 버퍼 존(140)(160)의 내부로 유입되어 함몰될 수 있다. 경우에 따라서는, 상기 버퍼 존(140)(160)의 내부로 함몰된 부분이 터지거나 찢어져 붕괴될 수 있다. 이러한 붕괴는, 예를 들어 다량의 가스 발생 등으로 인한 고압이 작용하는 경우에 발생할 수 있다. The membrane-
본 발명에서, 상기 함몰 방지 부재(300)는 수전해 분리판(100)(100A)(100B)에 버퍼 존(140)(160)이 형성되어 있음으로 인해, 상기 버퍼 존(140)(160)으로 막-전극 접합체(200)가 함몰(붕괴)되는 것을 방지할 수 있는 것이면 좋다. 본 발명에서, 상기 함몰 방지 부재(300)의 형태, 구조 및/또는 크기 등은 특별히 제한되지 않으며, 이는 수전해 분리판(100)(100A)(100B)의 버퍼 존(140)(160) 상에 적층 설치되거나 상기 버퍼 존(140)(160)의 내부에 삽입 설치되어, 상기 막-전극 접합체(200)의 함몰(붕괴)을 방지할 수 있는 것이면 좋다. In the present invention, the sinking
상기 함몰 방지 부재(300)는, 예를 들어 금속재, 탄소재 및/또는 수지재 등으로부터 선택된 재질로 구성될 수 있다. 또한, 상기 함몰 방지 부재(300)는 수전해 분리판(100)(100A)(100B)과 막-전극 접합체(200)의 사이에, 및/또는 상기 버퍼 존(140)(160)의 내부에 설치되어, 유체의 흐름을 방해하지 않고 유체가 투과될 수 있도록, 유체 투과성을 가지는 것으로부터 선택된다. 즉, 본 발명의 실시예에 따라서, 상기 함몰 방지 부재(300)는 유체 투과성의 다공성 부재(310)(320)로부터 선택된다. 상기 다공성 부재(310)(320)는 유체 투과성을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 메쉬(mesh) 부재로부터 선택될 수 있다. 본 발명에서, 상기 메쉬 부재는, 와이어(wire)가 그물(net) 구조로 엮어진 그물망 형태, 및 기재에 복수의 유체 투과공(300a)(도 7 및 도 8 참고)이 형성(천공)된 다공판 형태를 포함한다. The
도 6을 참고하면, 상기 함몰 방지 부재(300)는, 본 발명의 제1구현예에 따라서 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160) 상에 설치되고, 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)을 덮을 수 있는 크기(가로, 세로)를 가지는 제1 다공성 부재(310)로부터 선택될 수 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 제1 다공성 부재(310)는 유체 투과성의 메쉬 부재로서, 시트(sheet) 형상을 가지되, 이는 2개의 수전해 분리판(100)(100A)(100B) 중에서 적어도 제1 수전해 분리판(100)(100A)에는 설치될 수 있다. 보다 구체적인 구현예에 따라서, 상기 제1 다공성 부재(310)는 막-전극 접합체(200)의 크기와 거의 동일 크기를 가지는 시트형 메쉬 부재로서, 상기 제1 수전해 분리판(100)(100A)과 막-전극 접합체(200)의 사이에 개재되는 형태로 하여, 상기 버퍼 존(140)(160) 상에 적층 설치될 수 있다. Referring to FIG. 6, the
도 7 및 도 8을 참고하면, 상기 함몰 방지 부재(300)는, 본 발명의 제2구현예에 따라서 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160) 내에 삽입 설치된 제2 다공성 부재(320)로부터 선택될 수 있다. 상기 제2 다공성 부재(320)는 유체 투과성의 메쉬 부재로서, 이는 예를 들어 "ㄷ" 자형 또는 "ㅁ" 자형의 단면을 가질 수 있다. Referring to Figures 7 and 8, the
도 7의 (a)는 "ㄷ" 자형의 단면을 가지는 제2 다공성 부재(320)의 일부 절단 사시도이고, 도 7의 (b)는 상기 "ㄷ" 자형의 제2 다공성 부재(320)가 버퍼 존(140)(160) 내에 삽입 설치된 모습을 보인 수전해 셀(WEC)의 요부 단면도이다. 그리고 도 8의 (a)는 "ㅁ" 자형의 단면을 가지는 제2 다공성 부재(320)의 일부 절단 사시도이고, 도 8의 (b)는 상기 "ㅁ" 자형의 제2 다공성 부재(320)가 버퍼 존(140)(160) 내에 삽입 설치된 모습을 보인 수전해 셀(WEC)의 요부 단면도이다. 도 7 및 도 8에 예시한 바와 같이, 상기 제2 다공성 부재(320)는 상부 지지부(321)와, 상기 상부 지지부(321)의 양측에 형성된 좌우 측벽(322)을 포함하되, 상기 상부 지지부(321) 및 좌우 측벽(322)에 복수의 유체 투과공(300a)이 형성된 구조를 가질 수 있다. 이러한 제2 다공성 부재(320)는 버퍼 존(140)(160)의 내부에 삽입 설치되어, 버퍼 존(140)(160) 내에서의 유체 흐름을 가능하게 하면서 상기 막-전극 접합체(200)의 함몰을 방지한다. Figure 7 (a) is a partially cut perspective view of the second
상기 함몰 방지 부재(300)는, 본 발명의 제3구현예에 따라서 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160) 내에 삽입 설치되고, 복수개로 적층된 제3 다공성 부재(도시하지 않음)로부터 선택될 수 있다. 상기 제3 다공성 부재는 버퍼 존(140)(160)의 폭(WZ)과 거의 동일한 폭을 가지는 유체 투과성의 메쉬 부재로서, 이는 버퍼 존(140)(160)의 내부에 여러 장 적층되어 버퍼 존(140)(160) 내부에서의 유체 흐름을 가능하게 하면서 상기 막-전극 접합체(200)의 함몰을 방지한다. The sinking
이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 전술한 바와 같이 유체의 흐름을 완충시키는 버퍼 존(140)(160)에 의해 유체의 흐름성이 개선된다. 또한, 본 발명에 따르면, 반응 영역(150)의 폭(WR) 방향을 따라 직선형(일자형)으로 복수개 형성된 일자 패턴의 유로(155)에 의해 유체의 반응성 및 흐름 속도가 개선된다. 이를 통해, 본 발명은 수전해 장치의 적어도 수소와 산소의 생산성을 향상시킬 수 있다. 아울러, 본 발명에 따르면, 함몰 방지 부재(300)에 의해 막-전극 접합체(200)가 버퍼 존(140)(160)으로 함몰되는 것이 방지된다. According to the present invention described above, fluid flow is improved by the
100 : 수전해 분리판 100' : 분리판 본체
100A : 제1 수전해 분리판 100B : 제2 수전해 분리판
110 : 유입공 120 : 입구홀
125 : 유입측 포집부 140 : 유입측 버퍼 존
150 : 반응 영역 155 : 유로
160 : 배출측 버퍼 존 170 : 출구홀
175 : 배출측 포집부 180 : 배출공
190 : 가스킷 패킹홈 200 : 막-전극 접합체
300 : 함몰 방지 부재 310, 320 : 다공성 부재 100: Water electrolysis separator plate 100': Separator plate main body
100A: first water electrolysis separator plate 100B: second water electrolysis separator plate
110: inlet hole 120: entrance hole
125: Inlet side collection unit 140: Inlet side buffer zone
150: reaction area 155: flow path
160: Discharge side buffer zone 170: Exit hole
175: discharge side collection unit 180: discharge hole
190: Gasket packing groove 200: Membrane-electrode assembly
300: depression prevention member 310, 320: porous member
Claims (6)
제1 수전해 분리판(100)(100A);
제2 수전해 분리판(100)(100B); 및
상기 제1 수전해 분리판(100)(100A)과 제2 수전해 분리판(100)(100B)의 사이에 설치된 막-전극 접합체(200)를 포함하며,
상기 제1 수전해 분리판(100)(100A) 및 제2 수전해 분리판(100)(100B) 중에서 선택된 하나 이상은,
유체가 유입되는 유입공(110);
상기 유입공(110)으로부터 유입된 유체를 완충시켜 반응 영역(150)의 유로(155)에 공급하는 유입측 버퍼 존(140);
상기 유입측 버퍼 존(140)으로부터 공급된 유체가 통과되는 복수의 유로(155)가 형성된 반응 영역(150);
상기 반응 영역(150)의 유로(155)를 통과한 유체를 완충시켜 배출공(180)으로 공급하는 배출측 버퍼 존(160); 및
상기 배출측 버퍼 존(160)으로부터 공급된 유체가 배출되는 배출공(180)을 포함하는 수전해 분리판(100)이고,
상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)은 홈 형상으로서 상기 유로(155)의 깊이(DP) 및 폭(WP)보다 큰 깊이(DZ) 및 폭(WZ)을 가지며,
상기 수전해 분리판(100)에는, 상기 막-전극 접합체(200)가 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)으로 함몰되는 것을 방지하는 함몰 방지 부재(300)가 설치된 것을 특징으로 하는 수전해 셀(WEC).
It is a water electrolysis cell (WEC) that electrolyzes water to produce hydrogen and oxygen.
First water electrolysis separator plate 100 (100A);
Second water electrolysis separator plate 100 (100B); and
It includes a membrane-electrode assembly 200 installed between the first water electrolytic separator plate 100 (100A) and the second water electrolytic separator plate 100 (100B),
At least one selected from the first water electrolytic separator plate (100) (100A) and the second water electrolytic separator plate (100) (100B),
An inlet hole 110 through which fluid flows;
an inlet-side buffer zone 140 that buffers the fluid flowing in from the inlet hole 110 and supplies it to the flow path 155 of the reaction region 150;
A reaction area 150 having a plurality of passages 155 through which the fluid supplied from the inflow buffer zone 140 passes;
a discharge-side buffer zone 160 that buffers the fluid passing through the flow path 155 of the reaction region 150 and supplies it to the discharge hole 180; and
It is a water electrolysis separator plate 100 including a discharge hole 180 through which fluid supplied from the discharge side buffer zone 160 is discharged,
The inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160 are groove-shaped and have a depth (D Z ) and width (W Z ) greater than the depth (D P ) and width (W P ) of the flow path 155. has,
The water electrolytic separator 100 is characterized in that a sinking prevention member 300 is installed to prevent the membrane-electrode assembly 200 from sinking into the inlet-side buffer zone 140 and the discharge-side buffer zone 160. water electrolysis cell (WEC).
제1 수전해 분리판(100)(100A);
제2 수전해 분리판(100)(100B); 및
상기 제1 수전해 분리판(100)(100A)과 제2 수전해 분리판(100)(100B)의 사이에 설치된 막-전극 접합체(200)를 포함하며,
상기 제1 수전해 분리판(100)(100A) 및 제2 수전해 분리판(100)(100B) 중에서 선택된 하나 이상은,
유체가 유입되는 유입공(110);
상기 유입공(110)으로부터 유입된 유체가 인입되는 입구홀(120);
상기 입구홀(120)로부터 인입된 유체가 포집되는 유입측 포집부(125);
상기 유입측 포집부(125)에 포집된 유체를 완충시켜 반응 영역(150)의 유로(155)에 공급하는 유입측 버퍼 존(140);
상기 유입측 버퍼 존(140)으로부터 공급된 유체가 통과되는 복수의 유로(155)가 형성된 반응 영역(150);
상기 반응 영역(150)의 유로(155)를 통과한 유체를 완충시켜 배출측 포집부(175)로 공급하는 배출측 버퍼 존(160);
상기 배출측 버퍼 존(160)으로부터 공급된 유체가 포집되는 배출측 포집부(175);
상기 배출측 포집부(175)에 포집된 유체가 토출되는 출구홀(170); 및
상기 출구홀(170)로부터 토출된 유체가 배출되는 배출공(180)을 포함하는 수전해 분리판(100)이고,
상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)은 홈 형상으로서 상기 유로(155)의 깊이(DP) 및 폭(WP)보다 큰 깊이(DZ) 및 폭(WZ)을 가지며,
상기 수전해 분리판(100)에는, 상기 막-전극 접합체(200)가 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)으로 함몰되는 것을 방지하는 함몰 방지 부재(300)가 설치된 것을 특징으로 하는 수전해 셀(WEC).
It is a water electrolysis cell (WEC) that electrolyzes water to produce hydrogen and oxygen.
First water electrolysis separator plate (100) (100A);
Second water electrolysis separator plate 100 (100B); and
It includes a membrane-electrode assembly 200 installed between the first water electrolytic separator plate 100 (100A) and the second water electrolytic separator plate 100 (100B),
At least one selected from the first water electrolytic separator plate (100) (100A) and the second water electrolytic separator plate (100) (100B),
An inlet hole 110 through which fluid flows;
an inlet hole 120 through which the fluid flowing from the inlet hole 110 is introduced;
an inlet-side collecting unit 125 that collects the fluid introduced from the inlet hole 120;
an inlet-side buffer zone 140 that buffers the fluid collected in the inlet-side collection unit 125 and supplies it to the flow path 155 of the reaction area 150;
A reaction area 150 formed with a plurality of passages 155 through which the fluid supplied from the inflow buffer zone 140 passes;
a discharge-side buffer zone 160 that buffers the fluid passing through the flow path 155 of the reaction region 150 and supplies it to the discharge-side collection unit 175;
A discharge side collecting unit 175 that collects the fluid supplied from the discharge side buffer zone 160;
an outlet hole 170 through which the fluid collected in the discharge side collection unit 175 is discharged; and
It is a water electrolysis separator plate (100) including a discharge hole (180) through which the fluid discharged from the outlet hole (170) is discharged,
The inlet-side buffer zone 140 and the discharge-side buffer zone 160 are groove-shaped and have a depth (D Z ) and width (W Z ) greater than the depth (D P ) and width (W P ) of the flow path 155. has,
The water electrolytic separator 100 is characterized in that a sinking prevention member 300 is installed to prevent the membrane-electrode assembly 200 from sinking into the inlet-side buffer zone 140 and the discharge-side buffer zone 160. water electrolysis cell (WEC).
상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)은, 상기 유로(155)의 길이 방향과 직각을 이루며, 상기 반응 영역(150)의 폭(WR) 방향 일측 말단에서부터 타측 말단까지 연장하여 형성되고,
상기 유로(155)는, 상기 반응 영역(150)의 폭(WR) 방향을 따라 복수개로 형성되되, 상기 복수의 각 유로(155)는 유입측 버퍼 존(140)과 배출측 버퍼 존(160)의 사이에 직선형의 일자 패턴으로 형성되며,
상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)은 홈 형상으로서 상기 유로(155)의 깊이(DP) 및 폭(WP)보다 큰 깊이(DZ) 및 폭(WZ)을 가지되,
상기 유로(155)의 깊이(DP)는 0.01mm ~ 2mm이고,
상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)의 깊이(DZ)는 0.5mm ~ 10mm이며,
상기 유로(155)의 폭(WP)은 0.05mm ~ 5mm이고,
상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)의 폭(WZ)은 2mm ~ 15mm인 것을 특징으로 하는 수전해 셀(WEC).
According to claim 1 or 2,
The inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160 form a right angle to the longitudinal direction of the flow path 155, and extend from one end to the other end in the width (W R ) direction of the reaction region 150. Formed by extending,
The flow path 155 is formed in plural numbers along the width (W R ) direction of the reaction region 150, and each of the plurality of flow paths 155 includes an inlet buffer zone 140 and an outlet buffer zone 160. ) is formed in a straight straight pattern between the
The inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160 are groove-shaped and have a depth (D Z ) and width (W Z ) greater than the depth (D P ) and width (W P ) of the flow path 155. Have,
The depth (D P ) of the flow path 155 is 0.01 mm to 2 mm,
The depth (D Z ) of the inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160 is 0.5 mm to 10 mm,
The width (W P ) of the passage 155 is 0.05 mm to 5 mm,
A water electrolysis cell (WEC), characterized in that the width (W Z ) of the inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160 is 2 mm to 15 mm.
상기 유입측 포집부(125) 및 배출측 포집부(175)는 홈 형상으로서 깊이와 폭을 가지되, 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)보다 더 깊은 깊이를 가지며,
상기 유입측 포집부(125)는 유입측 버퍼 존(140) 내의 일측에 형성되되, 상기 입구홀(120) 및 유입측 버퍼 존(140)과 연통되게 형성되고,
상기 배출측 포집부(175)는 배출측 버퍼 존(160) 내의 일측에 형성되되, 상기 출구홀(170) 및 배출측 버퍼 존(160)과 연통되게 형성되며,
상기 수전해 분리판(100)은 정면을 형성하는 정면부(10A)와 배면을 형성하는 배면부(10B)를 가지되, 상기 정면부(10A)와 배면부(10B)는 2장(정면판과 배면판)의 접합을 통해 구성되지 않고 일체 구조의 1장으로 구성되고,
상기 입구홀(120) 및 출구홀(170)은 홀 가공수단(500)을 이용한 홀 가공을 통해 분리판 본체(100')의 테두리(101)를 관통하여 형성되며,
상기 테두리(101)에 형성된 관통홀(102)은 밀봉수단(105)에 의해 밀봉되고,
상기 수전해 분리판(100)은 반응 영역(150)을 제외한 표면에 절연 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 수전해 셀(WEC).
According to paragraph 2,
The inlet-side collecting part 125 and the outlet-side collecting part 175 are groove-shaped and have a depth and width, and have a deeper depth than the inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160,
The inlet-side collecting unit 125 is formed on one side of the inlet-side buffer zone 140, and is formed in communication with the inlet hole 120 and the inlet-side buffer zone 140,
The discharge side collecting unit 175 is formed on one side of the discharge side buffer zone 160, and is formed in communication with the outlet hole 170 and the discharge side buffer zone 160,
The water electrolytic separator plate 100 has a front portion 10A forming the front and a rear portion 10B forming the back, and the front portion 10A and the rear portion 10B are composed of two pieces (a front plate and a back plate). It is not composed by joining plates) but is composed of one piece of an integrated structure,
The inlet hole 120 and the outlet hole 170 are formed by penetrating the edge 101 of the separator plate main body 100' through hole processing using the hole processing means 500,
The through hole 102 formed in the edge 101 is sealed by a sealing means 105,
The water electrolysis separator plate 100 is a water electrolysis cell (WEC), characterized in that an insulating coating layer is formed on the surface excluding the reaction region 150.
상기 함몰 방지 부재(300)는 유체 투과성이고, 하기 (a) 내지 (c) 중에서 선택된 하나 이상의 다공성 부재(310)(320)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 셀(WEC).
(a) 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160) 상에 설치되고, 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160)을 덮을 수 있는 크기를 가지는 다공성 부재(310)
(b) 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160) 내에 삽입 설치되고, "ㄷ" 자형 또는 "ㅁ" 자형의 단면을 가지는 다공성 부재(320)
(c) 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160) 내에 삽입 설치되고, 복수개로 적층된 다공성 부재
According to claim 1 or 2,
The anti-collapse member 300 is fluid-permeable and includes one or more porous members 310 and 320 selected from (a) to (c) below.
(a) A porous member installed on the inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160 and having a size capable of covering the inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160 ( 310)
(b) a porous member 320 inserted into the inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160 and having a “ㄷ”-shaped or “ㅁ”-shaped cross section;
(c) a porous member inserted into and installed in the inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160 and stacked in plural pieces;
상기 함몰 방지 부재(300)는, 상기 유입측 버퍼 존(140) 및 배출측 버퍼 존(160) 내에 삽입 설치되고, 유체 투과성의 다공성 부재(320)이며,
상기 다공성 부재(320)는,
상부 지지부(321); 및
상기 상부 지지부(321)의 양측에 형성된 좌우 측벽(322)을 포함하며,
상기 상부 지지부(321) 및 좌우 측벽(322)에는 복수의 유체 투과공(300a)이 형성된 것을 특징으로 하는 수전해 셀(WEC).
According to claim 1 or 2,
The collapse prevention member 300 is inserted into the inlet-side buffer zone 140 and the outlet-side buffer zone 160 and is a fluid-permeable porous member 320,
The porous member 320 is,
upper support 321; and
It includes left and right side walls 322 formed on both sides of the upper support part 321,
A water electrolysis cell (WEC), characterized in that a plurality of fluid penetration holes (300a) are formed in the upper support portion (321) and the left and right side walls (322).
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