KR20220050777A - 전기분해장치 - Google Patents

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KR20220050777A
KR20220050777A KR1020210132651A KR20210132651A KR20220050777A KR 20220050777 A KR20220050777 A KR 20220050777A KR 1020210132651 A KR1020210132651 A KR 1020210132651A KR 20210132651 A KR20210132651 A KR 20210132651A KR 20220050777 A KR20220050777 A KR 20220050777A
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김정식
신현수
임태은
박찬종
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(주) 테크윈
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Abstract

유체의 유입 및 유출용 개별유로가 상부 및 하부에 각각 복수 분리 형성되고, 일측면에 유입 및 유출용 개별유로와 연결되어 유체가 머물면서 반응 후 이동하도록 하는 유로구조가 형성되는 양극 전기공급부를 가지는 양전극 결합체와, 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 상부 및 하부에 각각 복수 분리 형성되고 일측면에 유입 및 유출용 개별유로와 연결되어 유체가 머물면서 반응 후 이동하도록 하는 유로구조가 형성되는 음극 전기공급부을 가지는 음전극 결합체 및, 양전극 결합체와 음전극 결합체 사이에서 격막을 사이에 두고 적어도 한단 또는 다단으로 배치되는 바이폴라 전극모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치가 개시된다.

Description

전기분해장치{AN APPARATUS FOR ELECTROLYZING}
본 발명은 전기분해장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유체를 분리 공급하면서 바이폴라 전극모듈을 포함하여 다단구조로 구성될 수 있는 전기분해장치에 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, 전해반응으로 생성된 반응물을 형성 및 이동시키는 격실을 형성한다. 상기 양극과 음극 그리고 바이폴라전극은 용접, 볼팅 또는 본딩 등의 방법으로 집전체(전도체)에 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 개별 결합체로 흘러야 하는 유체가 다른 결합체의 전극을 통해 흘렀을 때, 우회되는 (BI-PASS) 전류로 인한 불필요한 반응이 발생하기 때문에 전해장치의 반응효율이 저하된다는 구조적인 단점이 있다.
또한, 종래 전기분해장치 중 전극 반응셀과 접하는 스페이서 또는 격막간의 결합구조에 있어서, 전극과 집전판(전도체) 간 밀착되게 설치되지 못해, 충분한 압력을 제공하지 못하므로 접촉저항이 증가하는 구조적인 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2005-0052516호
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 포함하는 전기분해장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기분해장치는, 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 상부 및 하부에 각각 복수 분리 형성되고, 일측면에 상기 유입 및 유출용 개별유로와 연결되어 유체가 머물면서 반응 후 이동하도록 하는 유로구조가 형성되는 양극 전기공급부를 가지는 양전극 결합체; 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 상부 및 하부에 각각 복수 분리 형성되고, 일측면에 상기 유입 및 유출용 개별유로와 연결되어 유체가 머물면서 반응 후 이동하도록 하는 유로구조가 형성되는 음극 전기공급부을 가지는 음전극 결합체; 및 상기 양전극 결합체와 상기 음전극 결합체 사이에서 격막을 사이에 두고 적어도 한단 또는 다단으로 배치되는 바이폴라 전극모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이로써, 간단한 구성에 의해서 유로 채널구조를 가지는 전극을 적용하여 전기분해 장치를 제작할 수 있기 때문에, 제조비용을 절감하여 제조시간을 단축하여 생산성을 높일 수 있다.
여기서, 상기 양전극 결합체와 상기 음전극 결합체 중 적어도 하나는 상기 양극 전기공급부 또는 상기 음극 전기공급부의 일측면에 배치되는 전극을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이로써, 양전극 결합체와 음전극 결합체의 구조를 다양하게 설계제작할 수 있다.
또한, 상기 양극 전기공급부 또는 상기 음극 전기공급부의 상기 전극과 마주하는 일측면에는 상기 유체 유입 및 유출용 개별유로 중 선택된 유로들과 유입 유출용 연결유로에 의해 연결되는 채널유로가 형성되는 것이 좋다.
이로써, 양극 전기공급부 또는 음극 전기공급부에 유로를 일체로 가공 형성하여 사용함으로써, 부품수를 줄이고 소형화시킬 수 있다.
또한, 상기 양극 전기공급부 및 상기 음극 전기공급부 중에서 적어도 어느 하나의 일측면에는 상기 유체 유입 및 유출용 개별유로 중 선택된 유로들과 유입 유출용 연결유로에 의해 연결되는 메쉬 수납홈이 형성되고, 상기 메쉬 수납홈에는 도전성 재질로 형성된 메쉬부재가 장착되는 것이 좋다.
이로써, 양극 결합체와 음극 결합체에서 메쉬부재를 유로와 전극으로 동시에 사용할 수 있게 되어, 제품의 가공이 용이하고 생산단가를 낮출 수 있다.
또한, 상기 양극 전기공급부와 상기 음극 전기공급부 중 적어도 하나의 일측면에는 유로를 형성하면서 전극 역할이 가능한 유로격벽이 이격되게 설치되는 것이 좋다.
이로써, 간단한 구성으로 양극 결합체 또는 음극 결합체를 제작 및 생산할 수 있다.
또한, 상기 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 것이 좋다.
이로써, 메쉬부재를 바이폴라 전극모듈의 유로와 전극으로 사용할 수 있게 되어, 제품의 가공이 용이하고 생산단가를 낮출 수 있다.
또한, 상기 바이폴라 전극모듈은, 하부와 상부 각각에 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 복수 형성되고, 제1면에 다채널유로가 형성되는 바이폴라 집전체를 포함하는 것이 좋다.
이로써, 바이폴라 집전체에 유로를 일체로 가공 형성하여 사용함으로써, 바이플로 전극모듈의 부품 수를 줄일 수 있다.
또한, 상기 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 것이 좋다.
이로써, 간단한 구성으로 바이폴라 전극모듈을 제작 및 생산할 수 있다.
또한, 상기 바이폴라 집전체의 제2면에는 메쉬부재, 유로격벽 및 다채널유로 중에서 선택된 어느 하나가 구비된 것이 바람직하다.
이로써, 필요에 따라서 다양한 형태의 바이폴라 전극모듈이 적용된 전기분해장치를 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 바이플라 전극모듈에 적용되는 메쉬부재는 전도성재질로 형성된 것이 좋다.
이로써, 바이폴라 전극모듈에서 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, 바이폴라 전극모듈에서 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, 바이폴라 전극모듈로 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, 바이폴라 집전체에 형성된 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, 바이폴라 전극모듈에서 유로격벽과 바이폴라 집전체 사이에 유로를 안정적으로 확보할 수 있다.
또한, 상기 유입 및 유출용 개별유로의 전해질 접촉부위는 절연처리된 것이 좋고, 상기 유입 및 유출용 개별유로는 산화피막을 형성하거나 절연코팅을 하여 절연처리된 것이 좋다.
이로써, 전기분해 동작시 우회되는 (BI-PASS) 전류를 최소화할 수 있다.
또한, 상기 유로 격벽의 표면은 도전체로 형성되어 전극 기능을 갖는 것이 좋다.
이로써, 바이폴라 전극모듈에서 유로 격벽은 유로를 형성하는 기능과 전극의 기능을 갖게 되어 구조를 단순화할 수 있다.
여기서, 상기 양극 전기공급부 또는 상기 음극 전기공급부의 일측면에는 상기 유체 유입 및 유출용 개별유로 중 선택된 유로들과 유입 유출용 연결유로에 의해 연결되는 채널유로가 형성되는 것이 좋다.
이로써, 개별유로를 집전체에 일체로 형성하여 마련하여 제품의 경박단소화가 가능하게 된다.
또한, 상기 음극 전기공급부 또는 상기 음극 전기공급부의 일측면에는 상기 유체 유입 및 유출용 개별유로 중 선택된 유로들과 유입 유출용 연결유로에 의해 연결되는 메쉬 수납홈이 형성되고, 상기 메쉬 수납홈에는 도전성 재질로 형성된 메쉬부재가 장착되는 것이 좋다.
이로써, 양전극 결합체와 음전극 결합체를 간단한 구성에 의해 용이하게 제작하여 생산성을 높일 수 있다.
또한, 상기 바이폴라 전극모듈은, 하부와 상부 각각에 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 복수 형성되는 바이폴라 집전체; 상기 바이폴라 집전체의 제1면에 형성된 메쉬 수납홈에 수납되어 유로를 형성하는 제1메쉬부재; 상기 바이폴라 집전체의 제2면에 형성된 메쉬 수납홈에 수납되어 유로를 형성하는 제2메쉬부재; 및 상기 제1메쉬부재와 상기 제2메쉬부재 중에서 적어도 어느 하나의 외측에 설치되는 가스확산전극;을 포함하는 것이 바람직하다.
이처럼, 난류를 형성시키는 메쉬부재를 이용하여 유로를 형성함으로써, 반응효율을 향상시키고, 반응면적을 높일 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2메쉬부재는 전도성 재질로 형성되는 것이 좋다.
이로써, 메쉬부재로 유로의 기능과 전극의 기능 및 전기 전달체의 기능을 동시에 수행하도록 할 수 있다.
또한, 상기 유입 및 유출용 개별유로의 전해질 접촉부위는 절연처리되고, 상기 유입 및 유출용 개별유로는 산화피막을 형성하거나 절연코팅을 하여 절연처리된 것이 좋다.
이로써, 우회되는 (BI-PASS) 전류를 최소화할 수 있다.
또한, 상기 바이폴라 전극모듈은, 하부와 상부 각각에 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 복수 형성되고, 제1면에 다채널유로가 형성되는 바이폴라 집전체; 상기 바이폴라 집전체의 제1면의 다채널유로에 접하여 설치되는 가스확산전극; 및 상기 바이폴라 집전체의 제2면에 이격되게 배치되어 유로를 제공하는 유로 격벽;을 포함할 수 있다.
이로써, 이로써, 간단한 구성으로 바이폴라 전극모듈을 제작 및 생산할 수 있다.
또한, 상기 유로 격벽의 표면은 도전체로 형성되어 전극 기능을 갖는 것이 좋다.
이로써, 유로 격벽은 유로를 제공하는 역할과 전극의 역할 및 전기전달체의 역할을 하게 되고, 가스확산 전극이 없을 경우에는 전극의 역할을 할 수 있게 된다.
또한, 상기 유로격벽과 마주하는 상기 바이폴라 집전체의 제2면에는 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 바이폴라 전극모듈은, 하부와 상부 각각에 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 복수 형성되는 바이폴라 집전체; 상기 바이폴라 집전체의 제1면에 형성된 메쉬 수납홈에 수납되어 유로를 형성하는 메쉬부재; 상기 메쉬부재의 외측에 설치되는 가스확산전극; 및 상기 바이폴라 집전체의 제2면에 이격되게 배치되어 유로를 형성하는 유로 격벽;을 포함하는 것이 좋다.
이로써, 이로써, 메쉬부재에 의해서 유로를 물론, 전극의 기능을 하도록 하여 단순한 구조로 제조 및 생산이 가능하다.
또한, 상기 다채널 유로의 내부에 돌기를 형성하여 줌으로써, 복잡한 흐름 구조를 가지도록 하여 난류를 발생시킴으로써 유체의 압력을 증가시키고, 비표면적을 증가시키고, 편류현상을 억제하여 인접한 전극의 반응효율을 증대시킬 수 있다.
본 발명의 전기분해장치에 따르면, 전극판의 구조를 간단하게 하면서도 유체의 유동이 원활하게 이루어지고, 난류를 형성시켜서 반응효율을 높일 수 있다.
특히, 전극 집전체의 구조를 간단하여 함으로써, 장치의 제조비용을 절감하고 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 전극 집전체나 바이폴라 전극의 유입 및 유출부의 유로를 절연소재로 코팅하여 우회되는 (BI-PASS) 전류를 최소화할 수 있으며, 스페이서와 격막 사이에 용접, 금속 메쉬부재 등을 사용하여 접촉저항을 감소시켜서 반응 효율을 높일 수 있다.
또한, 바이폴라 전극이나 전극 집전체에 메쉬 수납홈을 형성하여 메쉬부재를 수납하여 유로로 사용함으로써, 유로 가공을 위한 공정이 용이하고, 그로 인해 생산단가를 낮추고 생산성을 높일 수 있다.
또한, 유로의 공간을 확보하여 줌으로서 유체의 원활한 이동이 가능하고, 반응공간을 넓게 확보할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기분해 장치를 나타내 보인 결합 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 전기분해 장치의 측면도이다.
도 3a는 도 1에 도시된 전기분해 장치의 분리 사시도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 양극 전기 공급부의 다른 예를 나타내 보인 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 음전극 결합체의 다른 예를 나타내 보인 분리 사시도이다.
도 5a는 도 3에 도시된 바이폴라 전극모듈의 제1실시예를 나타내 보인 개략적인 분리 사시도이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 바이폴라 집전체를 발췌하여 보인 사시도이다.
도 6은 도 5a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 좌측면도이다.
도 7a는 도 6의 Ⅰ-Ⅰ선 단면도이다.
도 7b은 도 5a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 결합 단면도이다.
도 8은 제2실시예에 따른 바이폴라 전극모듈을 나타내 보인 단면도이다.
도 9a는 제3실시예에 따른 바이폴라 전극모듈을 나타내 보인 분리 사시도이다.
도 9b는 도 9a에 도시된 바이폴라 집전체를 발췌하여 보인 사시도이다.
도 10a는 도 9a에 도시된 제3실시예에 따른 바이폴라 전극모듈의 좌측면도이다.
도 10b는 도 10a의 Ⅱ-Ⅱ선 단면도이다.
도 11a는 도 9a에 도시된 바이폴라 집전체의 좌측면도이다.
도 11b는 도 11a의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.
도 11c는 도 9a에 도시된 바이폴라 집전체의 평면도이다.
도 11d는 도 9a에 도시된 바이폴라 집전체의 정면도이다.
도 12는 도 9a에 도시된 바이폴라 전극모듈의 결합 단면도이다.
도 13은 제4실시예에 따른 바이폴라 전극모듈을 나타내 보인 개략적인 분리 사시도이다.
도 14는 도 13에 도시된 바이폴라 집전체를 발췌하여 보인 사시도이다.
도 15는 도 13에 도시된 바이폴라 전극모듈의 좌측면도이다.
도 16은 도 15의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도이다.
도 17a는 도 14에 도시된 바이폴라 집전체의 좌측면도이다.
도 17b는 도 17a의 Ⅴ-Ⅴ선 단면도이다.
도 17c는 도 14에 도시된 바이폴라 집전체의 평면도이다.
도 17d는 도 14에 도시된 바이폴라 집전체의 정면도이다.
도 18은 도 13에 도시된 바이폴라 전극모듈의 개략적인 결합단면도이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 실시예에 따른 전기분해장치를 3격실 구조를 예로 들어 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 21은 2격실 구조의 전기분해장치의 구성을 설명하기 위한 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 전기분해장치를 자세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기분해장치는 일측의 프런트커버모듈(10)에서부터 타측의 리어커버모듈(60) 사이에 순차적으로, 양전극 결합체(20), 격막(30), 중간유로제공 결합체(40), 격막(30), 바이폴라 전극모듈(100), 격막(30), 중간유로제공 결합체(40), 격막(30) 및 음전극 결합체(50)가 순차적으로 적층구조로 밀착된 구성을 가지며, 프런트커버모듈(10)과 리어커버모듈(60)을 볼트(70) 등의 조립수단으로 연결하여 조임으로써 기밀을 유지하도록 밀착 조립될 수 있다.
여기서, 상기 양전극 결합체(20)와 음전극 결합체(50) 사이에는 바이폴라 전극모듈(100)이 한단 또는 다단으로 구성될 수도 있다.
또한, 상기 중간유로제공 결합체(40)는 선택적으로 구비될 수 있으며, 본 발명의 실시예와 같이 구비된 경우에는 3격실 구조의 전기분해장치로 구성이 가능하고, 배제될 경우 2격실 구성의 전기분해장치로 구성이 가능하다.
또한, 상기 볼트(70)는 일예에 불과하며, 이외에 다양한 공지의 조립수단이 적용될 수 있다.
상기 프런트커버 모듈(10)은 프런트 커버(11)와, 프런트 커버(11)의 후면에 밀착되는 프런트 플레이트(13)를 구비할 수 있다. 프런트커버(11)의 전면에는 유체가 유입되는 복수의 유체 유입용 개별유로(11a)가 하부에 형성되고, 상부에는 전기분해반응 후 배출되는 유체가 배출되는 복수의 유체 유출용 개별유로(11b)가 형성된다. 하부의 복수의 유입용 개별유로(11a) 중에서 최 우측의 개별유로는, 상부의 복수의 유출용 개별유로(11b) 중에서 최 좌측의 개별유로와 연결되도록 구성된다. 프런트 플레이트(13)에도 프런트 커버(11)에 형성된 유체 유입 및 유출용 개별유로 각각에 대응되는 유체 유입 및 유출용 개별유로(13a,13b)가 하부 및 상부에 복수 형성된다. 이러한 프런트 플레이트(13)는 필수적인 구성요소는 아니며, 선택적으로 채용되어 구성될 수 있다.
상기 리어커버 모듈(60)은 리어커버(61)와, 리어커버(61)의 전면에 결합되는 리어 플레이트(63)를 구비한다. 상기 리어 플레이트(63)도 필요에 따라 선택적으로 적용되어 채용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
상기 양전극 결합체(20)는 일면이 프런트 플레이트(13)에 접하는 양극 전기 공급부(21)와, 양극 전기공급부(21)의 타면에 접하여 순차 결합되는 양극 전극(22)과, 가스켓(23)을 구비한다. 양극 전기공급부(21)의 하부 및 상부 각각에는 유체 유입 및 유출용 개별유로(21a,21b)가 형성된다. 또한, 양극 전기공급부(21)의 타면에는 메쉬수납홈(21c)이 형성되며, 그 메쉬수납홈(21c)에 전도성 메쉬부재가 수납됨으로써 유체의 유로를 형성하게 된다. 이러한 양극 전기공급부(21)와 메쉬부재의 구체적인 구성은 후술할 바이폴라 전극모듈(100)의 바이폴라 전극의 구성을 통해 이해될 수 있다.
상기 양극 전극(22)은 상기처럼 메쉬부재에 의해 형성된 유로에 접하도록 메쉬부재에 접하도록 배치된다. 그리고 가스켓(23)은 양극 전기공급부(21)의 타면에 접하도록 결합되고, 중앙부분에 양극 전극(22)이 수납되는 개구가 형성된다. 가스켓(23)에는 유체의 유입 및 유출을 위한 유입 및 유출용 개별유(23a,23b)로가 복수 형성된다.
또한, 양극 전기공급부(20)의 구성은, 후술할 음극 전기공급부(50)와 같이 일면에 채널유로가 형성되고, 채널유로에 접하는 면에 양극 전극(22)이 형성되는 구성이 적용될 수도 있다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 양극 전기공급부(21')의 다른 예로서 일면에 유로격벽(24)이 배치되고, 그들(21,24) 사이에 유로가 형성되도록 된 구성이 적용될 수도 있다. 이 경우 상기 유로격벽(24)과 마주하는 양극 전기공급부(21')의 일측면에는 유체유동홈(24a)이 형성될 수 있다. 이때 유로격벽(24)은 도전성재질로 형성되거나, 도전성 재질로 코팅형성되어 양극전극 역할을 할 수 있으며, 이 경우 앞서 설명한 별도의 양극전극(22)이 배제될 수 있다.
이처럼 양극 전기공급부(51)에 채널유로가 적용되거나, 유로격벽(24)이 적용되는 구체적인 예는 후에 자세히 설명되는 바이폴라 전극모듈의 구체적인 실시예들을 통해서 더욱 쉽게 이해될 수 있다. 다만, 양극 전기공급부(21)에 형성되는 채널유로와 유로격벽(24)은 일측면에만 설치되는 점에서 차이가 있으며, 유체의 유입 및 유출용 유로와 연결유로 등의 구조도 후술할 음극 전기공급부(51,51')와 바이폴라 전극모듈의 실시예들과 동일하게 적용될 수 있다.
상기 바이폴라 전극모듈(100)과 양전극 결합체(20) 사이에는 격막(30)이 적층되어 배치된다. 격막(30)에도 유체 유입 및 유출용 개별유로(31,32)가 상부 및 상부 각각에 복수 형성된다.
또한, 중간유로제공 결합체(40)가 양전극 결합체(20)와 격막(30) 사이에 더 적층되어 설치될 수도 있다. 이러한 중간유로제공 결합체(40)는 복수의 절연재질 스페이서를 겹쳐서 형성될 수 있다. 물론, 중간유로 결합체(40)는 전면 및 후면 각각에 다중 유로채널이 형성될 수도 있고, 앞서 설명한 바와 같이, 메쉬부재를 수납한 유로로도 가능하다. 상기 중간유로제공 결합체(40)에도 유체 유입 및 유출용 개별유로(41,42)가 하부 및 상부에 각각 형성된다.
상기 음전극 결합체(50)는 리어 플레이트(63)에 접하는 음극 전기공급부(51)와, 음극 전기공급부(51)의 전면에 차례로 배치되는 음극전극(52)과 가스켓(53)을 구비한다. 음극 전기공급부(51)에도 하부 및 상부 각각에 유체 유입 및 유출용 개별유로(51a,51b)가 복수 형성된다. 그리고 음극 전기공급부(51)의 전면에는 유체 유입 및 유출용 개별유로 중 선택된 유로들과 유입 유출용 연결유로(51c)에 의해 연결되는 채널유로(51d)가 형성될 수 있다.
상기 채널유로(51d)에 접하도록 음극전극(52)이 배치되고, 음극전극(52)이 수납되는 개구를 가지는 가스켓(53)이 음극 전기공급부(51)의 전면에 밀착되어 배치된다.
상기 가스켓(53)의 하부와 상부 각각에도 유체 유입 및 유출용 개별유로(53a,53b)가 형성되고, 중앙에는 음극 전극(52)에 대응되는 개구(53c)가 형성된다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 다른 실시예의 음전극 결합체(50')가 적용될 수도 있다. 상기 음전극 결합체(50')는 음전극 전기공급부(51')와, 음전극 전기공급부(51')의 전면에 차례로 배치되는 메쉬부재(54), 음극전극(52)과 가스켓(53)을 구비한다. 음전극 전기공급부(51')는 하부와 상부 각각에 복수의 유체 유입 및 유출용 개별유로(51a,51b)가 형성된다. 또한, 음전극 집전체(51')의 전면(S1)에 메쉬 수납홈(51d)이 형성된다. 또한, 메쉬 수납홈(51e)은 유체 유입 및 유출용 연결유로(51c)에 의해서 유체 유입 및 유출용 개별유로(51a,51b) 각각에 연결된다. 상기 메쉬 수납홈(51d)에는 메쉬부재(54)가 장착되어 유로를 형성하며, 바람직하게는 도전성 재질로 형성되어 전극 역할 또는 전기 전달체 역할을 할 수 있다. 즉, 음극전극(52)은 선택적으로 적용될 수 있으며, 적용될 경우에는 가스 확산전극을 포함할 수 있으며 전극 역할을 하게 되고, 메쉬부재(54)는 전기 전달체 역할을 하게 된다. 반면에, 음극전극(52)이 배제된 경우에는 메쉬부재(54)가 전극 역할을 하게 된다. 이 때, 상기 메쉬부재(54)는 양극 또는 음극 전극 역할을 선택적으로 할 수 있게 된다.
상기 구성의 음전극 결합체(50,50')와 바이폴라 전극모듈(100) 사이에도 격막(30), 중간유로제공 결합체(40) 및 격막(30)이 순차적으로 배치될 수 있다. 상기 격막(30)과 중간유로제공 결합체(40) 각각의 하부와 상부에는 유체 유입 및 유출용 개별유로(31,41)(32,42)가 서로 대응되도록 복수 형성된다.
또한, 상기 구성의 음전극 전기공급부(51,51') 이외에, 앞서 도 3b를 통해 설명한 양전극 전기공급부(21')와 동일한 구조로 음전극 전기공급부를 적용할 수도 있다. 이 경우 음전극 결합체(50)에서 음극 전극을 배제하고, 유로격벽을 음극전극으로 적용할 수 있다.
상기 바이폴라 전극모듈(100)은 양전극 결합체(20)와 음전극 결합체(50) 사이에 한단 또는 다단으로 배치될 수 있는 것이다. 이러한 바이폴라 전극모듈(100)의 제1실시예로서 도 5a 내지 도 7b를 참조하면, 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 유체의 유입용 개별유로(111a,111b,111c)와, 유출용 개별유로(112a,112b,112c)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(111a)를 연결하는 유입용 연결유로(113a)와, 제1메쉬 수납홈(113)과 유출용 개별유로(112a)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, 유체의 유로역할을 한다. 이로써, 복수의 유입 및 유출용 개별유로(111a,111b,111c)(112a,112b,112c) 중에서 최 좌측의 유출용 개별유로(112a)와 최우측의 유입용 개별유로(111a)만 제1메쉬부재(120)를 통해 연결되어 양극에 공급되는 양극수 전해질만 공급되도록 하거나, 음극에 공급되는 음극수 전해질만 공급되도록 할 수 있다.
상기 제1메쉬부재(120)에 접하도록 가스확산전극(130)이 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(111a,111b,111c)(112a,112b,112c)에 대응되는 유입 및 유출용 개별유로(141a,141b,141c)(142a,142b,142c)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(112c)와 제2메쉬수납홈(114)을 연결하는 유출용 연결유로(113b')와, 최 좌측의 유입용 개별유로(111c)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(111c,112c)에 연통되게 형성된다.
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(111a,111b,111c)(112a,112b,112c) 각각에 대응되는 유입 및 유출용 개별유로(161a)(162a,162b,162c)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 유체의 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(111a,111b,111c)(112a,112b,112c)에 절연소재를 코팅 처리하여 우회되는 (BI-PASS) 전류를 최소화할 수 있다. 상기 개별유로(111a,111b,111c)(112a,112b,112c)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. 이로써, 제1메쉬부재(120)는 전기 전달체의 역할을 할 수 있고 가스확산전극(130)을 배제할 경우에는 전극(음극 또는 양극)역할을 할 수 있다. 또한, 제2메쉬부재(150)는 음극 또는 양극 전극의 기능을 할 수 있다.
또한, 도 8에 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.
도 9a 내지 도 12를 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(211a,211b,211c)(212a,212b,212c)가 형성된다. 바이폴라 집전체(210)의 제1면(S1)에는 다채널유로(213)가 형성된다 다채널유로(213)는 소정 패턴으로 형성되고, 유입용 및 유출용 연결유로(213a,213b)에 의해 복수의 유입 및 유출용 개별유로(211a,211b,211c)(212a,212b,212c) 중 어느 하나와 연결된다. 또한, 다채널유로(213)에는 유체분배용 챔버(213c)가 형성되어, 유입용 및 유출용 연결유로(213a,213b)에 연결되도록 구성될 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 가스가 포함된 유체의 유입용 개별유로(231a,231b,231c)와 유체의 유출용 개별유로(232a,232b,232c))가 복수 형성된다.
또한, 상기 다채널 유로(213)의 내부에 돌기를 형성하여 줌으로써, 복잡한 흐름 구조를 가지도록 하여 난류를 발생시킴으로써 유체의 비표면적을 증가시키고, 편류현상을 억제하여 인접한 전극의 반응효율을 증대시킬 수 있다.
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 표면을 도전성 재질로 코팅되거나 도전성 재질로 형성되어 음극 또는 양극 전극의 역할을 하게 된다. 이때, 상기 가스확산전극(220)은 음극 또는 양극 전극의 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(211a,211b,211c)(212a,212b,212c) 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(211a,211b,211c)(212a,212b,212c)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.
도 12는 도 9a에 도시된 바이폴라 전극모듈(200)의 개략적인 결합 단면도로서, 앞서 설명한 바와 같이, 바이폴라 전극(210)의 제1면 쪽에 가스 확산전극(220)과 제1가스켓(230)이 적층되어 설치되고, 제2면쪽에 유로격벽(240)과 제2가스켓(250) 및 스페이서(260)가 적층되게 설치되어, 유체의 유로가 바이폴라 전극(210)의 제1 및 제2면 쪽에 형성되어, 독립적으로 유체를 공급할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 13 내지 도 18을 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 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(311a,311b,311c)(312a,312b,312c)가 복수 형성된다. 또한, 제1면(S1)에는 유입 및 유출용 개별유로(311a,311b,311c)(312a,312b,312c)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 전기전달체 역할을 한다. 메쉬부재(320)의 외측에 가스확산전극(330)이 밀착 결합되어 전극 역할을 하게 된다. 여기서, 가스확산전극(330)이 배제될 경우, 메쉬부재(320)는 전극 역할을 하게 된다.
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(311a,311b,311c)(312a,312b,312c)에 대응되는 유입 및 유출용 개별유로(341a,341b,341c)(342a,342b,342c))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. 이로써, 유로격벽(350)은 음극 또는 양극전극, 상기 메쉬부재(320)는 전기 전달체 또는 전극 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(311a,311b,311c)(312a,312b,312c) 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(311a,311b,311c)(312a,312b,312c) 각각에 대응되는 유입용 개별유로(361a,361b,361c)(371a,371b,371c)와, 유출용 개별유로(362a,362b,362c)(372a,372b,372c)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 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.
상기 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 전기분해장치의 반응원리에 대해서 도 19 및 도 20을 참조하여 설명하기로 한다.
도 19 및 도 20은 3격실 구조의 전기분해장치의 반응원리를 설명하기 위한 것으로서, 산화극(양전극, Anode)과 환원극(음전극, Cathode) 사이에 양이온 교환막(CEM:Cation exchange membrane)과 음이온 교환막(AEM:Anion exchange membrane)이 각각 설치되어 있으며, 음전극은 수소를 Proton(H+)으로 전환하기 위하여 백금이 코팅된 가스확산전극(Gas diffusion cell)이 사용될 수 있다.
또한, 양이온 교환막과 음이온 교환막을 대신하여 양이온 교환막 2장이 설치된 구성을 가질 수도 있다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 전기분해 시스템에 에너지를 투입하면 아래의 반응식과 같이 음극(Cathode)에서는 물이 분해되어 수소(H2)와 OH- 이온이 생성되며, 양극(Anode)에서는 음극에서 발생, 공급된 수소(H2)가 촉매상에서 산화되어 H+와 e-을 생성시키는 산화-환원 반응이 이루어지게 된다.
< 반응식 >
Anode : H2(g) -> 2H+ + 2e-
2H+ + 2Cl- -> 2HCl
Cathode : 2H2O + 2e- -> H2 + 2OH-
2Na+ + 2OH- -> 2NaOH
더욱 구체적으로 보면, 양극 분리판(110)으로 수소 기체가 공급되고, 음극 분리판(50)으로 물 또는 묽은 NaOH 용액이 공급되며, 중간유로제공 결합체(40)로는 소금물이 공급된다.
이 상태에서 외부에서 일정한 전압이 가해지면, 전기분해반응이 진행되며, 양극에서는 수소가 분해되어 수소이온(proton)이 생성되고, 이 프로톤은 전해질막을 통해 중간유로제공 결합체(40)로 이동하게 되어 Cl- 이온과 결합하여 HCl을 형성하게 된다.
한편, 음극에서는 물 분해반응이 일어나 OH- 이온과 수소 기체가 생성되며, OH- 이온은 중간유로제공 결합체(40)에서 막을 통해 이동한 Na+ 이온과 결합하여 NaOH를 생성시키게 된다. 따라서 중간유로제공 결합체(40)에서 유출되는 염산용액은 pH가 2 이하로 떨어지게 되고, 음극에서 유출되는 NaOH 용액은 pH가 12 이상으로 증가하게 된다.
한편, 도 19 및 도 20에서 설명한 바와 같이, 중간유로제공 결합체(40)를 적용하여 3격실 구조의 전기분해장치를 구성할 경우에, 2개의 교환막이 설치되는데, 이 경우 양이온 교환막과 음이온 교환막을 다양한 조합으로 선택하여 적용할 수 있음은 당연하다.
한편, 도 21과 같은 1막 셀은 2막 셀을 단순화시킨 것으로서, 중간유로제공 결합체를 없애고 양극 분리판과 음극 분리판 사이에 고분자 전해질막(CEM : Cation exchange membrane)을 1장만 사용하여 구현할 수 있다. 양극 분리판을 통해서 양극실로는 수소 기체와 NaCl 용액을 공급하게 되고, 음극 분리판을 통해서 음극실로는 물 또는 묽은 NaOH 용액이 공급된다.
즉, 도 21과 같은 1막 셀의 구조에서는, 양극 분리판을 통해 양극실로 수소 기체와 소금물이 공급된다. 외부에서 양극 분리판으로 일정 전압이 가해지면, 전기분해반응이 진행되며, 양극에서는 수소가 분해되어 수소이온(proton)이 생성되고, 소금물이 전기분해되어 Na+ 이온과 Cl- 이온이 형성된다.
양극에서 생성된 수소이온은 Cl- 이온과 반응하여 HCl을 생성하고, Na+이온은 전해질막을 통해 음극실로 이동한다.
한편, 음극에서는 물 분해반응이 일어나 OH- 이온과 수소 기체가 생성되며, OH- 이온은 전해질막을 통해 이동한 Na+ 이온과 결합하여 NaOH를 생성시키게 된다.
이처럼, 중간유로제공 결합체(40)를 적용하여 전기분해장치를 3격실 구조로 구성할 수 있고, 중간유로제공 결합체(40)를 배제하여 2격실 구조의 전기분해장치를 구성할 수도 있다.
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.
10..프런트 커버모듈 20..양전극 결합체
21,21'..양극 전기공급부 22..양극 전극
23,53..가스켓 30..격막
60..리어 커버모듈 40..중간유로제공 결합체
50,50'..음전극 결합체 51,51'..음극 전기공급부
52..음극 전극
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

Claims (20)

  1. 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 상부 및 하부에 각각 복수 분리 형성되고, 일측면에 상기 유입 및 유출용 개별유로와 연결되어 유체가 머물면서 반응 후 이동하도록 하는 유로구조가 형성되는 양극 전기공급부를 가지는 양전극 결합체;
    유체의 유입 및 유출용 개별유로가 상부 및 하부에 각각 복수 분리 형성되고, 일측면에 상기 유입 및 유출용 개별유로와 연결되어 유체가 머물면서 반응 후 이동하도록 하는 유로구조가 형성되는 음극 전기공급부을 가지는 음전극 결합체; 및
    상기 양전극 결합체와 상기 음전극 결합체 사이에서 격막을 사이에 두고 적어도 한단 또는 다단으로 배치되는 바이폴라 전극모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양전극 결합체와 상기 음전극 결합체 중 적어도 하나는 상기 양극 전기공급부 또는 상기 음극 전기공급부의 일측면에 배치되는 전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양극 전기공급부 또는 상기 음극 전기공급부의 상기 전극과 마주하는 일측면에는 상기 유체 유입 및 유출용 개별유로 중 선택된 유로들과 유입 유출용 연결유로에 의해 연결되는 채널유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 전기분해장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 양극 전기공급부 및 상기 음극 전기공급부 중에서 적어도 어느 하나의 일측면에는 상기 유체 유입 및 유출용 개별유로 중 선택된 유로들과 유입 유출용 연결유로에 의해 연결되는 메쉬 수납홈이 형성되고,
    상기 메쉬 수납홈에는 도전성 재질로 형성된 메쉬부재가 장착되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 양극 전기공급부와 상기 음극 전기공급부 중 적어도 하나의 일측면에는 유로를 형성하면서 전극 역할이 가능한 유로격벽이 이격되게 설치되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 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 하는 전기분해 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 바이폴라 전극모듈은,
    하부와 상부 각각에 유체의 유입 및 유출용 개별유로가 복수 형성되고, 제1면에 다채널유로가 형성되는 바이폴라 집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다채널유로의 내부에 돌기가 형성된 것을 특징으로 하는 전기 분해 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 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 하는 전기분해 장치.
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 바이폴라 집전체의 제2면에는 메쉬부재, 유로격벽 및 다채널유로 중에서 선택된 어느 하나가 구비된 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 바이폴라 집전체, 상기 양극 전기공급부 및 상기 음극 전기공급부 각각의 제1면과 제2면 중 적어도 어느 한 면에 접하도록 설치되는 가스확산전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 메쉬부재는 전도성재질로 형성된 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 바이폴라 집전체의 메쉬 수납홈, 다채널유로, 유로격벽이 형성된 면에는 상기 유입 및 유출용 개별유로를 각각 연결하는 유입 및 유출용 연결유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 유입 및 유출용 연결유로와 연결되어 유체를 분배하는 유체 분배용 챔버가 형성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 유입 및 유출용 개별유로는 상기 복수의 유입 및 유출용 개별유로 중에서 서로 먼 쪽의 개별유로를 연결하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 바이폴라 집전체의 상기 유로격벽과 마주하는 면에는 유입 및 유출용 연결유로에 의해 상기 유입 및 유출용 개별유로와 연결되는 유체 유동홈이 형성된 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 유입 및 유출용 개별유로의 전해질 접촉부위는 절연처리된 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 유입 및 유출용 개별유로는 산화피막을 형성하거나 절연코팅을 하여 절연처리된 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 유로 격벽의 표면은 도전체로 형성되어 전극 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
  20. 제1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양전극 결합체와 상기 바이폴라 전극모듈 사이와 상기 음전극 결합체와 상기 바이폴라 전극모듈 사이 중에서 적어도 하나에는 중간유로를 제공하는 중간유로제공 결합체가 설치되는 것을 특징으로 하는 전기분해 장치.
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