KR102657798B1 - 바이폴라 전극 모듈 - Google Patents
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Abstract
하부와 상부 각각에 가스를 포함하는 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 복수 형성되는 바이폴라 집전체와, 바이폴라 집전체의 제1면에 형성된 메쉬 수납홈에 수납되어 유로를 형성하는 메쉬부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈이 개시된다.
Description
본 발명은 바이폴라 전극 모듈에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 양극과 음극 사이에 필요한 단수만큼 배치되어 전기분해에 사용될 수 있는 바이폴라 전극 모듈에 관한 것이다.
일반적으로 전기분해공정에 있어서 전해반응이 이루어지는 전기분해장치는 크게 유격막 방식과 무격막 방식으로 구분되고, 다시 개방형 셀과 밀폐형 셀 방식으로 구분될 수 있다.
이 중에서 유격막 방식의 밀폐형 반응셀(에노드셀과 캐소드셀) 구조를 가지는 전기분해장치는 일반적으로 반응셀을 구성하는 양극과 음극 사이에 격막(멤브레인)이 설치되어 구획된 구성을 가진다. 양극과 음극의 형태는 보통 메쉬형 또는 타공형 전극을 사용하고, 양극과 음극 사이의 단위셀간 전압을 낮추기 위해 최대한 격막(멤브레인)에 근접하게 구성된다. 또한, 전기분해시에 발생되는 가스상 물질로 전압이 상승하는 것을 억제하기 위해서 양극 또는 음극을 지지하는 지지판 뒤쪽으로 가스가 쉽게 빠져나갈 수 있는 공간이 확보되도록 구성된다.
또한, 다단으로 구성된 단위 셀의 구성을 살펴보면, 양측단에 설치되는 모노폴라 방식의 양극과 음극 그리고 필요한 단 수만큼 양측단의 양극과 음극 사이에 하나 이상 다단 배열되어 설치되는 바이폴라 전극 모듈로 구성된다. 다단 배열된 음극 및 양극 전극 사이에는 격막이 설치된다.
또한, 격막과 각 전극 사이에는 내부 유동장을 포함하여 공간부를 형성하는 스페이서가 설치된다. 이 스페이서는 전해조로 유입되는 전해액이 이동하는 유로를 포함하며, 전극에서 전해반응이 일어나는 격실을 형성한다. 상기 양극과 음극 그리고 바이폴라전극은 용접, 볼팅 또는 본딩 등의 방법으로 전극판에 연결되어 고정된다.
한편, 상기 전해액의 이동경로로 사용되는 스페이서 중 스페이서에 직접 유로를 형성하는 타입으로 홀 가공을 통해서 직접 스페이서에 유로를 형성하는 종래기술이 있는데, 이와 같이 스페이서에 직접 유로를 형성하는 구조는 실링 구조가 취약하다는 단점이 있다.
이러한 문제점 때문에, 스페이서에 별도의 구조물을 삽입하여 다중 유로를 구성하는 기술이 제안되고 있으나, 이 경우에도 별도 구조물의 설치에 따른 실링 구조가 취약하다는 단점이 있다.
또한, 종래 전기분해장치는 금속에 전원을 공급하고, 전해질이 충분할 때 양극과 음극 사이에 놓인 전도체가 극성을 띄게 되어 바이폴라 전극이 되어 반응에 참여한다는 구조적인 단점이 있다. 즉, 개별 결합체로 흘러야 하는 유체가 다른 결합체의 전극을 통해 흘렀을 때, 우회되는 전류(BI-PASS)로 인한 불필요한 반응이 발생하기 때문에 전해장치의 반응효율이 저하된다는 구조적인 단점이 있다.
또한, 종래 전기분해장치 중 양전극 또는 음전극 반응셀과 접하는 스페이서 또는 격막간의 결합구조가 양전극 또는 음전극 반응 공간과 밀착되게 설치되지 못해, 충분한 압력을 제공하지 못하므로 접촉저항이 증가하는 구조적인 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 창안된 것으로서, 개별 유로를 단순화하면서도 서로 격리된 다중 유로를 형성하여 서로 다른 유체가 분리되어 원하는 양전극 또는 음전극에 직접 공급되도록 하면서 우회 전류를 최소화하면서도 접촉저항을 줄일 수 있도록 구조가 개선된 바이폴라 전극모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바이폴라 전극모듈은, 하부와 상부 각각에 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 복수 형성되는 바이폴라 집전체; 및 상기 바이폴라 집전체의 제1면에 형성된 메쉬 수납홈에 수납되어 유로를 형성하는 메쉬부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 메쉬부재를 유로와 전극으로 사용할 수 있어 제품의 가공이 용이하고 생산단가를 낮출 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면의 바이폴라 전극모듈은, 하부와 상부 각각에 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 복수 형성되고, 제1면에 다채널유로가 형성되는 바이폴라 집전체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 바이폴라 집전체에 유로를 일체로 가공 형성하여 사용함으로써, 부품 수를 줄일 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면의 바이폴라 전극모듈은, 하부와 상부 각각에 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 복수 형성되는 바이폴라 집전체; 및 상기 바이폴라 집전체의 제1면에 이격되게 배치되어 유로를 제공하는 유로격벽;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 간단한 구성으로 바이폴라 전극모듈을 제작 및 생산할 수 있다.
여기서, 상기 바이폴라 집전체의 제2면에는 메쉬부재, 유로격벽 및 다채널유로 중에서 선택된 어느 하나가 구비될 수 있다.
이로써, 필요에 따라서 다양한 형태로 바이폴라 전극모듈을 생산할 수 있다.
또한, 상기 바이폴라 집전체의 제1면과 제2면 중 적어도 어느 한 면에 접하도록 설치되는 가스확산전극을 더 포함하는 것이 좋다.
이로써, 바이폴라 집전체와 접하도록 설치되는 가스확산전극이 전극 역할은 물론 유로를 형성하는 역할을 할 수 있다.
또한, 상기 메쉬부재는 전도성재질로 형성된 것이 좋다.
이로써, 메쉬부재로 유로의 기능과 전극의 기능을 동시에 수행하도록 할 수 있다.
또한, 상기 바이폴라 집전체의 메쉬 수납홈이 형성된 면에는 상기 유입 및 유출용 개별유로와 상기 메쉬 수납홈을 각각 연결하는 유입 및 유출용 연결유로가 형성되는 것이 좋다.
이로써, 유체의 흐름이 안정적으로 이루어지도록 유도할 수 있다.
또한, 상기 유입 및 유출용 연결유로는 상기 복수의 유입 및 유출용 개별유로 중에서 서로 먼 쪽의 개별유로를 연결하도록 형성되는 것이 좋다.
이로써, 간단한 구조에 의해 사선 방향으로 상하 배치된 유입 및 유출용 개별유로를 용이하게 연결할 수 있다.
또한, 상기 바이폴라 집전체에 형성되는 메쉬 수납홈에는 상기 유입 및 유출용 연결유로와 연결되어 유체를 분배하는 유체 분배용 챔버가 형성되는 것이 좋다.
이로써, 유입된 유체를 전극의 전체면으로 균일하게 분배하고 수집하여 유동시킬 수 있고, 전기분해 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 바이폴라 집전체의 상기 다채널유로가 형성되는 면에는 상기 유입 및 유출용 개별유로와 상기 다채널 유로를 각각 연결하는 유입 및 유출용 연결유로가 형성되는 것이 좋다.
또한, 상기 다채널 유로에는 상기 유입 및 유출용 연결유로와 연결되어 유체를 분배하는 유체 분배용 챔버가 형성되는 것이 좋다.
이로써, 다채널 유로로 유체를 균일하게 분배하여 공급할 수 있다.
또한, 상기 바이폴라 집전체의 상기 유로격벽과 마주하는 면에는 유입 및 유출용 연결유로에 의해 상기 유입 및 유출용 개별유로와 연결되는 유체 유동홈이 형성된 것이 좋다.
이로써, 유로격벽과 바이폴라 집전체 사이에 유로를 안정적으로 확보할 수 있다.
또한, 상기 유입 및 유출용 개별유로의 전해질 접촉부위는 절연처리된 것이 좋고, 특히 상기 유입 및 유출용 개별유로는 산화피막을 형성하거나 절연코팅을 하여 절연처리된 것이 좋다.
이로써, 우회되는 전류(BI-PASS)를 최소화할 수 있다.
또한, 상기 유로 격벽의 표면은 도전체로 형성되어 전극 기능을 갖는 것이 좋다.
이로써, 유로 격벽은 유로를 형성하는 기능과 전극의 기능을 갖게 되어 구조를 단순화할 수 있다.
본 발명의 바이폴라 전극장치에 따르면, 유입 및 유출부의 유로를 절연소재로 코팅하여 우회되는 전류(BI-PASS)를 최소화할 수 있으며, 스페이서와 격막 사이에 용접, 금속 메쉬부재 등을 사용하여 접촉저항을 감소시켜서 반응 효율을 높일 수 있다.
또한, 바이폴라 전극에 메쉬 수납홈을 형성하여 메쉬부재를 수납하여 유로로 사용함으로써, 유로 가공을 위한 공정이 용이하고, 그로 인해 생산단가를 낮추고 생산성을 높일 수 있다.
또한, 유로의 공간을 확보하여 줌으로써 유체의 원활한 이동이 가능하고, 반응공간을 넓게 확보할 수 있는 이점이 있다.
도 1a는 본 발명의 제1실시예에 따른 바이폴라 전극모듈을 나타내 보인 개략적인 분리 사시도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 바이폴라 집전체를 나타내 보인 사시도이다.
도 2는 도 1a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 좌측면도이다.
도 3a는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 결합 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 바이폴라 전극모듈을 나타내 보인 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 제3실시예에 따른 바이폴라 전극모듈을 나타내 보인 개략적인 분리 사시도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 바이폴라 집전체를 발췌하여 보인 사시도이다.
도 6a는 도 5a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 좌측면도이다.
도 6b는 도 6a의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 7a는 도 5b에 도시된 바이폴라 집전체의 좌측면도이다.
도 7b는 도 5b의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 7c는 도 5b에 도시된 바이폴라 집전체의 평면도이다.
도 7d는 도 5b에 도시된 바이폴라 집전체의 정면도이다.
도 8은 도 7a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 결합 단면도이다.
도 9a는 본 발명의 제4실시예에 따른 바이폴라 전극모듈을 나타내 보인 개략적인 분리 사시도이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 바이폴라 집전체를 발췌하여 보인 사시도이다.
도 10a는 도 9a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 좌측면도이다.
도 10b는 도 10a의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.
도 11a는 도 9b에 도시된 바이폴라 집전체의 좌측면도이다.
도 11b는 도 11a의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.
도 11c는 도 9b에 도시된 바이폴라 집전체의 평면도이다.
도 11d는 도 9b에 도시된 바이폴라 집전체의 정면도이다.
도 12는 도 9a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 결합 단면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 바이폴라 집전체를 나타내 보인 사시도이다.
도 2는 도 1a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 좌측면도이다.
도 3a는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 결합 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 바이폴라 전극모듈을 나타내 보인 단면도이다.
도 5a는 본 발명의 제3실시예에 따른 바이폴라 전극모듈을 나타내 보인 개략적인 분리 사시도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 바이폴라 집전체를 발췌하여 보인 사시도이다.
도 6a는 도 5a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 좌측면도이다.
도 6b는 도 6a의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 7a는 도 5b에 도시된 바이폴라 집전체의 좌측면도이다.
도 7b는 도 5b의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 7c는 도 5b에 도시된 바이폴라 집전체의 평면도이다.
도 7d는 도 5b에 도시된 바이폴라 집전체의 정면도이다.
도 8은 도 7a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 결합 단면도이다.
도 9a는 본 발명의 제4실시예에 따른 바이폴라 전극모듈을 나타내 보인 개략적인 분리 사시도이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 바이폴라 집전체를 발췌하여 보인 사시도이다.
도 10a는 도 9a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 좌측면도이다.
도 10b는 도 10a의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.
도 11a는 도 9b에 도시된 바이폴라 집전체의 좌측면도이다.
도 11b는 도 11a의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.
도 11c는 도 9b에 도시된 바이폴라 집전체의 평면도이다.
도 11d는 도 9b에 도시된 바이폴라 집전체의 정면도이다.
도 12는 도 9a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 결합 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 전극장치를 자세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 3b를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 바이폴라 전극모듈(100)은, 제1면(S1)과 제2면(S2)을 가지는 바이폴라 집전체(110), 바이폴라 집전체(110)의 제1면(S1) 쪽에 배치되는 제1메쉬부재(120)와 가스확산전극(130)과 제1가스켓(140), 바이폴라 집전체(110)의 제2면(S2) 쪽에 배치되는 제2메쉬부재(150) 및 제2가스켓(160)을 구비한다.
상기 바이폴라 집전체(110)의 하부와 상부 각각에는 유입용 개별유로(111,111',111")와 유출용 개별유로(112,112',112")가 복수 좌우로 이격되게 형성된다. 그리고 제1면(S1)과 제2면(S2) 각각에는 제1 및 제2메쉬 수납홈(113,114)이 인입 형성된다. 또한, 제1면(S1)에는 제1메쉬 수납홈(113)과 유입용 개별유로(111,111',111")를 연결하는 유입용 연결유로(113a)와, 제1메쉬 수납홈(113)과 유출용 개별유로(112,112',112")를 연결하는 유출용 연결유로(113b)가 형성된다. 또한, 제1메쉬 수납홈(113)에는 유입용 및 유출용 연결유로(113a,113b)에 연결되는 부분에 유체분배용 챔버(113c)가 형성된다. 제1메쉬 수납홈(113)에는 제1메쉬부재(120)가 수납되어 장착되어, 가스가 포함된 유체의 유로역할을 한다. 이로써, 복수의 유입 및 유출용 개별유로(111,111',111")(112,112',112") 중에서 최 좌측의 유출용 개별유로(112)와 최우측의 유입용 개별유로(111)만 제1메쉬부재(120)를 통해 연결되어 양극에 공급되는 양극수 전해질만 공급되도록 하거나, 음극에 공급되는 음극수 전해질만 공급되도록 할 수 있다. 그리고 중간의 유입용 개별유로(111')는 중간의 유출용 개별유로(112')와 연결되고, 최 좌측의 유입용 개별유로(111")는 최 우측의 유출용 개별유로(112")와 연결된다.
여기서, 상기 중간의 유입용 개별유로(111')와 유출용 개별유로(112')는 3격실구조의 전기분해장치에 적용시 구비되며, 2격실 구조의 전기분해장치에 적용시에는 생략될 수 있다.
상기 제1메쉬부재(120)에 접하도록 가스확산전극(130)이 추가로 설치될 수 있다. 그리고 가스확산전극(130)에 대응되는 개구(143)를 가지는 제1가스켓(140)이 바이폴라 집전체(110)의 제1면(S1)에 밀착되어 결합된다. 제1가스켓(140)에도 바이폴라 집전체(110)의 유입 및 유출용 개별유로(111,111',111")(112,112',112")에 대응되는 유입 및 유출용 개별유로(141,141',141")(142,142',142")가 형성된다.
또한, 상기 바이폴라 집전체(110)의 제2면(S2)에도 제2메쉬수납홈(114)이 인입 형성되고, 상기 제2메쉬수납홈(114)에는 제2메쉬부재(150)가 수납되어 장착된다. 제2면(S2)에는 최우측의 유출용 개별유로(112")와 제2메쉬수납홈(114)을 연결하는 유출용 연결유로(113b")와, 최 좌측의 유입용 개별유로(111")와 제2메쉬수납홈(114)을 연결하는 유입용 연결유로(113a")가 형성된다. 또한, 제2메쉬수납홈(114)에는 앞서 설명한 제1메쉬수납홈(113)과 마찬가지로 유체분배용 챔버(113c")가 유입 및 유출용 연결유로(111",112")에 연통되게 형성된다. 여기서, 상기 유체분배용 챔버(113c,113c")의 형상은 전해반응에서 전환된 유체의 유체역학적 변수로 생성물에 따라서 다르게 형성될 수도 있다.
그리고 상기 제2면(S2)에 접하도록 제2가스켓(160)이 결합된다. 제2가스켓(160)은 제2메쉬부재(150)에 대응되는 개구(163)를 가진다. 또한, 제2가스켓(160)에는 바이폴라 집전체(110)의 유입 및 유출용 개별유로(111,111',111")(112,112',112") 각각에 대응되는 유입 및 유출용 개별유로(161,162,162',162")가 하부 및 상부에 각각 형성된다.
상기 구성을 가지는 바이폴라 전극모듈(100)에 의하면, 바이폴라 집전체(110)의 제1 및 제2면(S1,S2)에 제1 및 제2메쉬수납홈(113,114)을 각각 형성하여 메쉬부재(120,150)를 수납 장착함으로써, 간단한 구성에 의해서 유로를 형성할 수 있다. 따라서 바이폴라 집전체(110)에 다중 유로를 용이하게 형성할 수 있어서, 전극의 제조비용을 절감할 수 있고, 생산성을 높일 수 있다.
또한, 바람직하게는 상기 바이폴라 집전체(110)의 유체의 유입 및 유출용 개별유로(111,111',111")(112,112',112")에 절연소재를 코팅 처리하여 우회되는 전류(BI-PASS)를 최소화할 수 있다. 상기 유입 및 유출용 개별유로(111,111',111")(112,112',112")의 전해질 접촉부를 절연처리하기 위한 절연하는 방법으로는, 산화피막형성방법 또는 절연코팅 방법 등이 적용될 수 있다. 또한, 메쉬부재(120,150)를 이용하여 유로를 형성하여, 바이폴라 집전체(110)에 밀착되도록 하고, 가스확산전극(130)과 가스켓들(140,160)도 밀착되도록 설치 가능하게 됨으로써, 접촉 저항을 줄이고 전해반응 효율을 높일 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2메쉬부재(120,150) 각각은 도전성 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예와 같이, 가스확산전극(130)이 구비된 경우 제1메쉬부재(120)는 전기연결체 기능을 하고 메쉬부재(150)는 음극전극의 기능을 할 수 있다. 또한, 가스확산전극(130)이 배제될 경우에는, 상기 제1메쉬부재(120)는 양극전극의 기능을 하고, 제2메쉬부재(150)는 음극전극의 기능을 할 수 있다. 물론 이때에 제1 및 제2메쉬부재(120,150) 각각은 음극 및 양극 전극의 기능이 서로 바뀔수도 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 바이폴라 전극모듈(100')은 제1 및 제2메쉬부재(120,150) 각각의 외측에 가스확산전극(130,130')이 각각 설치된 점에 특징이 있다. 이 경우 제1 및 제2메쉬부재(120,150) 각각은 전기연결체 기능을 하게 되고, 가스확산전극(130,130')이 음극 및 양극의 기능을 하게 된다.
도 5a 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 바이폴라 전극모듈(200)은 바이폴라 집전체(210), 가스 확산전극(220), 제1가스켓(230), 유로격벽(240), 제2가스켓(250) 및 스페이서(260)를 구비한다.
바이폴라 집전체(210)의 하부와 상부 각각에는 유체가 통과하는 복수의 유입 및 유출용 개별유로(211,211',211")(212,212',212")가 좌우로 이격되게 형성된다. 바이폴라 집전체(210)의 제1면(S1)에는 다채널유로(213)가 소정패턴으로 형성된다. 또한, 바이폴라 집전체(210)의 제1면(S1)에는 다채녈유로(213)와 유입용 개별유로(211,211',211")를 연결하는 유입용 연결유로(213a)와, 다채널유로(213)와 유출용 개별유로(212,212',212")를 연결하는 유출용 연결유로(213b)가 형성된다. 또한, 다채널유로(213)에는 유입 및 유출용 연결유로(213a,213b)와 연결되는 부분에 유체분배용 챔버(213c)가 형성된다. 이러한 구성에 의하면, 복수의 유입 및 유출용 개별유로(211,211',211")(212,212',212") 중에서 최 좌측의 유출용 개별유로(212)와 최 우측의 유입용 개별유로(211)만 다채널유로(213)를 통해 연결되어 양극에 공급되는 양극수 전해질만 공급되도록 하거나 음극에 공급되는 음극수 전해질만 공급되도록 할 수 있다. 그리고, 중간의 유입용 개별유로(211')는 중간의 개별유로(212')와 연결되고, 최 좌측의 유입용 개별유로(211")는 최 우측의 유출용 개별유로(212")와 연결된다.
또한, 상기 중간의 유입용 개별유로(211')와 유출용 개별유로(212')는 3격실 구조의 전기분해장치에 적용시에만 구비되며, 2격실 구조의 전기분해장치에 적용시에는 생략될 수 있다.
상기 다채널유로(213)에 접하도록 가스확산전극(220)이 바이폴라 전극(210)의 제1면(S1)에 마주하여 설치된다. 그리고 가스확산전극(220)에 대응되는 개구(233)가 형성된 제1가스켓(230)이 제1면(S1)에 접하도록 결합된다. 제1가스켓(230)에도 유체의 유입 및 유출용 개별유로(231,231',231")(232,232',232")가 복수 형성된다.
또한, 바이폴라 집전체(210)의 제2면(S2)에도 마주하여 유로격벽(240)이 이격되어 설치된다. 유로격벽(240)은 복수의 연결리브(241)에 의해 바이폴라 전극(210)의 제2면(S2)에 이격되게 연결된다. 이로써, 유로격벽(240)과 바이폴라 전극(210)의 제2면(S2) 사이에 이격 된 공간이 확보되어 유체가 통과하는 유로가 형성된다. 이러한 유로격벽(240)의 표면은 도전성 재질로 코팅되거나 도전성 재질로 형성되어 음극 또는 양극 전극의 역할을 하게 된다. 이때, 상기 가스확산전극(220)은 유로격벽(240)의 반대되는 전극 즉, 양극 또는 음극전극의 역할을 하게 된다. 여기서, 상기 바이폴라 집전체(210)의 제2면(S2)에도 유체유동홈(214)이 형성될 수 있다. 그리고 제2면(S2)에는 유입 및 유출용 개별유로(211,212) 각각을 유체유동홈(214)과 연결하는 유입 및 유출용 연결유로(213a,213b)가 형성된다.
또한, 바이폴라 집전체(210)의 제2면(S2)에 제2가스켓(250)과 스페이서(260)가 차례로 밀착되어 결합된다. 제2가스켓(250)과 스페이서(260)에도 유입 및 유출용 개별유로(211,212)에 대응되는 유입 및 유출용 개별유로가 형성된다. 스페이서(260)는 유로격벽(240)의 테두리를 감싸서 수용하는 개구(263)를 가짐으로써, 유로격벽(240)과 바이폴라 전극(210) 사이의 간격으로 인해 개방된 부분을 차단하고, 선택된 연결유로를 통해서만 유체가 이동하도록 한다.
이처럼, 본 발명의 제3실시예에 따른 바이폴라 전극모듈(200)은 바이폴라 집전체(210)의 제1면(S1)에는 다채널유로(213)가 형성되어, 도 8과 같이 가스확산전극(220)과 접하여 유로를 형성하게 되어 경박단소화된 구조가 가능하게 된다. 또한, 도 8과 같이, 바이폴라 집전체(210)의 제2면(S2)은 유로격벽(240)과 이격된 공간들이 복수의 연결리브(241)에 의해 격리된 유로를 형성하도록 함으로써, 유체의 원활한 이동이 가능하도록 할 수 있다. 이 경우 바이폴라 집전체(210)의 제2면(S2)에는 제1면(S1)의 다채널유로(213)와 같은 별도의 유로를 가공하지 않아도 되므로, 가공시간을 단축하고 용이하게 제조할 수 있게 된다.
또한, 도 8에 화살표로 표시한 바와 같이, 바이폴라 집전체(210)의 제1면(S1) 쪽과 제2면(S2) 쪽 각각에서의 유체 흐름은 유입위치와 유출위치가 서로 반대편에 위치하도록 유로가 형성되는 것이 바람직하다.
도 9a 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 바이폴라 전극모듈(300)은 바이폴라 집전체(310)와, 바이폴라 집전체(310)의 제1면(S1)에 형성된 메쉬 수납홈(313)에 장착되는 메쉬부재(320), 메쉬부재(320)에 접하도록 설치되는 가스확산전극(330), 가스확산전극(330)의 외측에 설치되는 제1가스켓(340), 바이폴라 집전체(310)의 제2면(S2)에 마주하여 이격되게 설치되는 유로격벽(350), 바이폴라 집전체(310)의 제2면(S2)에 마주하도록 설치되는 제2가스켓(360) 및 스페이서(370)를 구비한다.
상기 바이폴라 집전체(310)의 제1면(S1)에 메쉬 수납홈(313)이 형성된다. 바이폴라 집전체(310)의 하부와 상부 각각에 유체의 유입 및 유출용 개별유로(311,311',311")(312,312',312")가 복수 형성된다. 또한, 제1면(S1)에는 유입 및 유출용 개별유로(311,312)를 메쉬 수납홈(313)에 설치되는 메쉬부재(320)와 연결하는 유입 및 유출용 연결유로(313a,313b)가 형성된다.
상기 메쉬부재(320)는 메쉬 수납홈(313)에 수납되어 유로 역할을 하고, 또한 전도체로 형성되어 통전 역할을 한다. 메쉬부재(320)의 외측에 가스확산전극(330)이 밀착 결합된다.
상기 제1가스켓(340)은 가스확산전극(330)에 대응되는 개구(343)를 가지고, 제1면(S1)에 밀착 결합된다. 또한, 제1가스켓(340)에도 바이폴라 집전체(310)의 유입 및 유출용 개별유로(311,312)에 대응되는 유입 및 유출용 개별유로(341,342)가 형성된다.
바이폴라 집전체(310)의 제2면(S2)에는 유로격벽(350)이 마주하여 이격되게 연결된다. 제2면(S2)과 유로격벽(350) 사이의 공간을 통해 유로가 제공된다. 제2면(S2)과 유로격벽(350) 사이의 유로는 복수의 연결리브(351)에 의해 구분될 수 있다. 유로격벽(350)은 그 표면이 전극역할을 할 수 있도록 도전체로 형성되는 것이 좋다. 이러한 구성에서, 가스확산전극(330)이 생략되는 경우에는, 유로격벽(350)과 메쉬부재(320)는 서로 반대의 전극 역할을 하게 된다. 즉, 유로격벽(350)이 음극 전극 역할이면, 메쉬부재(320)는 양극 전극 역할을 하고, 유로 격벽(350)이 양극 전극 역할을 하면 메쉬부재(320)는 음극 전극 역할을 하게 된다.
한편, 본원발명의 실시예와 같이, 가스확산전극(330)이 구비된 경우에는, 메쉬부재(320)는 전기 전달체 역할을 하게 된다.
그리고 상기 유로격벽(350)에 대응되는 개구들을 가지는 제2가스켓(360)과 스페이서(370)가 제2면(S2)에 마주하여 차례로 밀착 결합된다. 상기 제2면(S2)에는 유로격벽(350)과 마주하는 부분에 유체 유동홈(314)이 인입 형성될 수 있다.
또한, 바이폴라 집전체(310)의 제2면(S2)에는 유입 및 유출용 개별유로(311",312") 각각을 유체 유동홈(314)과 연결하는 유입 및 유출용 연결유로(313a",313b")가 형성된다.
상기 제2가스켓(360)과 스페이서(370) 각각에도 바이폴라 집전체(310)의 유입 및 유출용 개별유로(311,311',311")(312,312',312") 각각에 대응되는 유입용 개별유로(361,371)와, 유출용 개별유로(362,372)가 형성된다. 또한, 제2가스켓(360)과 스페이서(370)의 중앙부분에는 유로격벽(350)이 수용되는 개구(363,373)가 각각 형성된다.
이러한 구성의 바이폴라 전극모듈(300)은 도 12와 같이, 메쉬부재(320)가 바이폴라 집전체(310)의 제1면(S1)에 밀착 수용되어 유로 역할을 하고, 제2면(S2)에는 별도의 유로를 가공하지 않고서도 유로격벽(350)을 설치하여 형성된 공간을 이용하여 유로를 확보할 수 있다. 이처럼, 상기 구성의 바이폴라 전극모듈(300)은 간단한 구성에 의해서 유로를 형성시킬 수 있어서 제조가 용이하고, 비용을 절감할 수 있으며, 생산성을 높일 수 있다.
또한, 밀착도를 향상시킬 수 있고, 접촉저항을 줄여서 반응효율을 향상시킬 수 있다.
여기서도, 유체의 유로는 바이폴라 집전체(310)의 제1면(S1) 쪽에서는 하부 최 우측에서 유입되어 상부의 최 좌측으로 유출되고, 제2면(S2) 쪽에서는 하부의 최 좌측에서 유입되어 상부의 최우측으로 유출되도록 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 제2면에서는 유로격벽(350)의 복수의 연결리브(351)에 의해서 이격된 상태에서, 전기를 공급할 수 있도록 연결된다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 바이폴라 집전체의 제1면에 도 5a에 도시된 바와 같이 다채널유로(213)을 형성하고, 제2면에는 도 3a에서 설명한 바와 같은 메쉬 수납홈(114)을 형성하고, 다채널유로(213) 쪽에는 가스확산전극(220)을 배치하고, 메쉬 수납홈(114)에는 메쉬부재(150)를 배치하여 구성할 수도 있다. 이러한 구성의 바이폴라 전극모듈의 실시예는 별도로 도시하지는 않았으나, 앞서 설명한 바이폴라 전극모듈(100, 200)의 설명과 도면 통해 쉽게 이해할 수 있는 것이므로, 자세한 설명은 생략한다.
또한, 도시하지는 않았으나, 바이폴라 집전체의 제1면과 제2면 중 어느 한쪽에 메쉬부재를 배치하고, 다른 쪽 면에 다채널유로를 형성할 수도 있다.
또한, 바이폴라 집전체의 양측면에 다채널 유로를 형성하거나, 양측면에 유로 격벽을 설치할 수 있음은 당연하다.
이처럼, 바이폴라 집전체의 어느 한쪽 면에 메쉬부재, 다채널유로, 유로 격벽을 마련하고, 다른 쪽에 메쉬부재, 다채널유로 및 유로 격벽 중에서 어느 하나를 선택적으로 배치하여 구성할 수 있음은 당연하다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
100,100'.200,300..바이폴라 전극모듈 110,210,310..바이폴라 집전체
120..제1메쉬부재 130,220,330..가스확산전극
140,230,340..제1가스켓 150.제2메쉬부재
160,250,360..제2가스켓 240,350..유로 격벽
260,270..스페이서 320..메쉬부재
120..제1메쉬부재 130,220,330..가스확산전극
140,230,340..제1가스켓 150.제2메쉬부재
160,250,360..제2가스켓 240,350..유로 격벽
260,270..스페이서 320..메쉬부재
Claims (16)
- 하부와 상부 각각에 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 복수 형성되는 바이폴라 집전체;
상기 바이폴라 집전체의 제1면에 인입 형성된 제1메쉬 수납홈에 수납되어 유로를 형성하는 제1메쉬부재;
상기 제1메쉬부재에 접하도록 설치된 가스확산전극; 및
상기 바이폴라 집전체의 상기 제1면에 밀착되어 결합되고, 상기 가스확산전극에 대응되는 개구를 가지는 제1가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제1항에 있어서,
상기 제1메쉬부재는 전도성재질로 형성된 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제1항에 있어서,
상기 바이폴라 집전체의 상기 제1면에는 상기 유입 및 유출용 개별유로와 상기 제1메쉬 수납홈을 각각 연결하는 유입 및 유출용 연결유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제3항에 있어서,
상기 제1메쉬 수납홈에는 상기 유입 및 유출용 연결유로와 연결되어 유체를 분배하는 유체 분배용 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제1항에 있어서,
상기 유입 및 유출용 개별유로의 전해질 접촉부위는 절연처리된 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제5항에 있어서,
상기 유입 및 유출용 개별유로는 산화피막을 형성하거나 절연코팅을 하여 절연처리된 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제1항에 있어서,
상기 바이폴라 집전체의 제2면에 인입 형성된 제2메쉬 수납홈에 수납되어 유로를 형성하는 제2메쉬부재; 및
상기 바이폴라 집전체의 상기 제2면에 접하도록 결합되고, 상기 제2메쉬부재에 대응되는 개구를 가지는 제2가스켓;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제7항에 있어서,
상기 제2메쉬부재는 전도성재질로 형성된 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제1항에 있어서,
상기 바이폴라 집전체의 제2면에 복수의 연결리브에 의해 이격되게 연결되어 유로를 제공하는 유로격벽; 및
상기 바이폴라 집전체의 상기 제2면에 차례로 밀착되어 결합되고, 상기 유로격벽에 대응되는 개구를 가지는 제2가스켓 및 스페이서;를 더 포함하고,
상기 스페이서는 상기 바이폴라 집전체 및 상기 유로격벽 사이의 간격으로 인해 개방된 부분을 차단하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제9항에 있어서,
상기 바이폴라 집전체의 상기 제2면에는 상기 유로격벽과 마주하는 부분에 유체 유동홈이 인입 형성된 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제10항에 있어서,
상기 바이폴라 집전체의 상기 제2면에는 상기 유입 및 유출용 개별유로와 상기 유체 유동홈을 각각 연결하는 유입 및 유출용 연결유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 제9항에 있어서,
상기 유로격벽의 표면은 도전체로 형성되어 전극 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 바이폴라 전극모듈. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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