KR20220071401A - 바이폴라 플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 제1면에는 제1유체가 제1전극과 접하는 제1유로가 형성되고, 제2면에는 제1가스가 확산되는 제2유로가 각각 형성되는 바이폴라 플레이트에 있어서, 제1면은, 제1유체가 유입되어 배출되도록 일측에 좌우로 한쌍의 제1유체 유입부가 이격 형성되고, 타측에 좌우로 한쌍의 제1유체 배출부가 이격 형성되고, 제1유로는, 복수개가 나란하게 제1유체 유입부 및 제1유체 배출부를 연결하도록 형성되고, 복수개의 제1유로 중 제1유체 유입부 또는 제1유체 배출부에 인접한 제1유로의 길이가 더 길게 형성된다.

Description

바이폴라 플레이트{BIPOLAR PLATE}

본 발명은 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 효과적으로 에너지를 변환할 수 있는 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.

전기화학 전해장치는 에너지를 변환하는 장치로서, 일반적으로 전해 전지(electrolysis cell) 또는 연료 전지(fuel cell)로 분류된다.

전기화학 전해장치의 일례로, 양성자 교환 멤브레인 전해 전지는 물을 전기분해하여 수소와 산소 가스를 발생시킴으로써 수소 제조장치로서 기능한다.

또한, 전기화학 전해장치는 수소와 산소를 전기화학 반응시켜 전기를 발생시킴으로써 연료 전지로서 기능할 수도 있다.

이와 같이, 전기화학 전해장치는 필요에 따라 전기를 수소로, 수소를 다시 전기로 변환하도록 사용될 수 있다.

일반적인 전기화학 전해장치는, 스택으로 배열된 다수의 개별 전해 전지들을 포함한다. 작업 유체(working fluid)는 스택 구조 안에 형성된 복수의 입력 및 출력 유로(conduit)을 통해 전해장치를 통과한다.

전기화학 전해장치에서 에너지 변환 효율을 향상시키기 위해서는, 작업 유체(일례로 물)이 스택 내 바이폴라 플레이트에 형성된 유로로 입력될 때 복수의 유로채널에 골고루 분배되어 유동될 수 있도록 설계되어야 한다.

한국 등록특허 제10-0728059호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 에너지를 변환 효율을 향상할 수 있도록 하는 바이폴라 플레이트를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명의 일관점에 따른 바이폴라 플레이트는, 제1면에는 제1유체가 제1전극과 접하는 제1유로가 형성되고, 제2면에는 제1가스가 확산되는 제2유로가 각각 형성되는 바이폴라 플레이트에 있어서, 제1면은, 제1유체가 유입되어 배출되도록 일측에 좌우로 한쌍의 제1유체 유입부가 이격 형성되고, 타측에 좌우로 한쌍의 제1유체 배출부가 이격 형성되고, 제1유로는, 복수개가 나란하게 제1유체 유입부와 제1유체 배출부를 연결하도록 형성되고, 복수개의 제1유로 중 제1유체 유입부 또는 제1유체 배출부에 인접한 제1유로의 길이가 더 길게 형성된다.

본 발명의 일실시예에서 복수개의 제1유로는, 좌우측에서 중앙으로 갈수록 그 길이가 짧아지게 형성되어 복수개의 제1유로의 단부가 'V'형을 이룰 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에서는, 제1유로를 가로지르며 연장되는 제1관통유로를 더 포함할 수 있다.

여기서, 제1관통유로는 제1유체 배출부에 인접하여 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 제1유체 유입부와 제1유로의 유입단, 또는 제1유체 배출부와 제1유로의 배출단 사이에는 복수의 연결채널이 배치되고, 복수개의 연결채널 중 적어도 일부는 채널폭이 더 넓게 형성될 수 있다.

여기서, 복수개의 연결채널을 가로지르며 연장되는 제2관통유로를 더 포함할 수 있다.

또한, 복수개의 연결채널은 중앙을 향해 경사지게 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 관점에 따른 바이폴라 플레이트는, 제1면에는 제1유체가 제1전극과 접하는 제1유로가 형성되고, 제2면에는 제1가스가 확산되는 제2유로가 각각 형성되는 바이폴라 플레이트에 있어서, 제1면은, 제1유체가 유입되어 배출되도록 일측에 좌우로 한쌍의 제1유체 유입부가 이격 형성되고, 타측에 좌우로 한쌍의 제1유체 배출부가 이격 형성되고, 제1유로는, 복수개가 나란하게 제1유체 유입부와 제1유체 배출부를 연결하도록 형성되고, 제1유로를 가로지르며 연장되는 제1관통유로를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 또다른 관점에 따른 바이폴라 플레이트는, 제1면에는 제1유체가 제1전극과 접하는 제1유로가 형성되고, 제2면에는 제1가스가 확산되는 제2유로가 각각 형성되는 바이폴라 플레이트에 있어서, 제1면은, 제1유체가 유입되어 배출되도록 일측에 좌우로 한쌍의 제1유체 유입부가 이격 형성되고, 타측에 좌우로 한쌍의 제1유체 배출부가 이격 형성되고, 제1유로는, 복수개가 나란하게 제1유체 유입부와 제1유체 배출부를 연결하도록 형성되고, 제1유체 유입부와 제1유로의 유입단, 또는 제1유체 배출부와 제1유로의 배출단 사이에는 복수의 연결채널이 배치되고, 복수개의 연결채널 중 적어도 일부는 채널폭이 더 넓게 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면 복수개의 유로를 통해 유입되는 유체 유량의 편차를 최소화할 수 있도록 유로의 형상을 설계함으로써 에너지를 변환 효율을 향상시키는 효과가 있다.

즉, 본 발명에 의하면, 복수개의 유로는 좌우측에서 중앙으로 갈수록 그 길이가 짧아지게 형성되어 유로의 단부들이 대략 'V'형을 이루도록 형성되며, 유로를 가로지르며 형성되는 관통유로를 포함함으로써 복수개의 유로로 유입되는 유체가 골고루 분포될 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트를 구비한 전기화학 전해장치의 사시도이고,
도 2는 도 1의 분해사시도이고,
도 3은 도 1의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 제1면을 도시한 평면도이고,
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 제1면의 다양한 실시예에 따른 유동해석 결과이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 제2면을 도시한 평면도이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트에 결합되는 씰링부재를 도시한 평면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"와 "기", "모듈"과 "부", "유닛"과 "부", "장치"와 "시스템"등은 명세서 작성의 용이함 만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트를 구비한 전기화학 전해장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해사시도이고, 도 3은 도 1의 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기화학 전해장치(10)는, 적층 구조체의 최외곽에 각각 배치되는 엔드 플레이트(end plate, 11)와, 엔드 플레이트(11)의 내측에 각각 배치되며 전류를 공급하도록 부스바(13a)가 돌출되게 구비되는 전류 공급부(current collector, 13)와, 한 쌍의 전류 공급부(13)의 내측에 배치되는 바이폴라 플레이트(100)와, 제1전극(15) 및 제2전극(16)과 그 사이에 배치된 멤브레인(membrane, 17)을 포함하여 구성된다.

엔드 플레이트(11)는 직사각형의 판형으로 적층구조 전기화학 전해장치(10)의 외측부를 구성하며, 다수의 볼트(31)와 너트(33)에 의해 한 쌍의 엔드 플레이트(11)가 체결되어 도 1에 도시된 바와 같이 전기화학 전해장치(10)가 조립된 상태로 된다. 여기서, 엔드 플에이트(11)와 전류 공급부(13) 사이에는 절연 패드(12)가 삽입되어 외부로의 누전을 방지하도록 구성되고, 바이폴라 플레이트(100)와 멤브레인(17) 사이에는 다수의 씰링부재(20)가 삽입되어 기밀성을 유지할 수 있도록 구성된다.

또한, 본 발명에서 볼트(31)는 직사각형 엔드 플레이트(11)의 짧은 길이 방향으로의 체결 간격이 보다 긴 길이 방향으로의 체결 간격보다 가깝게 체결될 수 있다. 이것은 제1유로(110)의 방향이 길이가 긴 방향으로 형성되어 있어 물이나 기체가 길이가 긴 방향으로 누출될 가능성이 적을 뿐만 아니라, 물이 유입되고 배출되는 물 유입부(11a) 및 물 배출부(11b)가 짧은 길이 방향으로 배치되어 있기 때문에 이와 같이 체결함으로써 물이나 생성된 가스의 누출을 보다 효과적으로 차단할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 전기화학 전해장치(10)는, 필요에 따라 전기를 수소로, 수소를 다시 전기로 변환하도록 사용될 수 있는데, 일실시예로서 멤브레인(17)은 양성자를 교환하는 멤브레인으로 구성하고 유체(일례로, 물)를 입력받아 전기분해함으로써 수소를 제조하도록 구현될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 전기화학 전해장치(10)가 물을 전기분해하는 수전해장치로 적용될 경우, 물이 유입되어 배출될 수 있도록 엔드 플레이트(11)에 물 유입부(11a) 및 물 배출부(11b)가 형성되고, 전기분해된 이후 생성된 수소가 배출되는 수소 배출부(11c)가 형성된다. 물 유입부(11a) 및 물 배출부(11b), 수소 배출부(11c)에는 배관(미도시)를 연결하기 위해 도 2에 도시된 체결부(35)가 각각 결합될 수 있다.

본 발명의 전기화학 전해장치(10)에서는, 물을 전기분해하여 수소를 제조하기 위해서, 각각 환원극(cathode)와 산화극(anode)으로 작용하는 제1전극(15) 및 제2전극(16)과, 전극들(15,16) 사이에 양성자 교환 멤브레인(17)이 배치되어 구성되는 막전극 어셈블리를 포함한다.

본 발명의 전기화학 전해장치(10)가 전기분해를 수행하기 위해서는, 전류 공급부(13)를 통해 (+),(-)가 인가되는데, 그 결과 바이폴라 플레이트(100) 및 제1전극(15) 및 제2전극(16)이 각각 극성을 갖게 되어 바이폴라 플레이트(100)를 통해 유입되는 물을 전기분해할 수 있게 된다.

유입된 물이 전기분해되면, 발생된 산소 가스와 물의 일부는 물 배출부(11b)를 통해 전기화학 전해장치(10)를 빠져나가고, 생성된 양성자(H+)는 양성자 교환 멤브레인(17)을 가로질러 환원극(cathode)으로 이동하여 수소 가스를 생성하게 된다.

특히, 본 발명의 실시예에서는, 수전해시 유입되는 물을 다수의 유로에 골고루 분포시키고, 수전해로 발생된 수소가스를 효과적으로 배출시킬 수 있도록 구성된 바이폴라 플레이트(100)를 제1전극(15)와 제2전극(16) 사이에 배치시킨다. 바이폴라 플레이트(100)의 자세한 구성에 대해서는 후술한다.

바이폴라 플레이트(100)와 멤브레인(17) 사이에는 제1전극(15) 또는 제2전극(16)의 외곽을 감싸는 가스켓(gasket, 20)이 설치될 수 있다.

이와 같은 본 발명의 전기화학 전해장치(10)는, 도 3에 도시된 바와 같이 바이폴라 플레이트(100), 제1전극(15), 멤브레인(17), 제2전극(16)의 구성이 반복되며 적층되어 도 2에 도시된 바와 같이 적층체(A)를 구성하게 된다.

한편, 도 3에 도시되지는 않았지만, 본 발명의 전기화학 전해장치(10)는 절연 패드(12)가 판재형으로 구성되고 전류 공급부(13)에 대응되는 형상으로 홈(미도시)을 형성하여 전류 공급부(13)가 안착시키도록 구성할 수도 있다. 이 경우, 전기화학 전해장치(10)가 보다 견고한 결합상태를 유지할 수 있게 된다.

또한, 도 3에 도시되지 않았지만, 바이폴라 플에이트(100)의 일측면에 전기전도성의 탄성재질 플레이트(미도시)를 추가로 삽입하여 멤브레인(17)을 지지하며 보호할 수 있도록 구성될 수도 있으며, 적층체(A)에 가압 패드(미도시)를 삽입하여 적층체(A) 내부에 가압력을 발생시키도록 구성할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 제1면을 도시한 평면도이고, 도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 제1면의 다양한 실시예에 따른 유동해석 결과이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트(100)는, 직사각형으로 형성된 판재로 구성될 수 있다.

바이폴라 플레이트(100)는 제1면(101)과 이에 대향되는 제2면(미도시)으로 구성되며, 제1면(101)은 물이 유입되어 전기분해되는 부분으로 물이 유입되어 배출될 수 있도록 물 유입부(101a)와 물 배출부(101b)가 구비되고, 물 유입부(101a)와 물 배출부(101b)를 연결하는 제1유로(110)가 형성된다. 물 배출부(101b)를 통해서는 전기분해후 남은 물과 생성된 산소가 함께 배출된다. 제2면(미도시)에는 전기분해에 의해 생성된 수소가 유동하며 배출되도록 제2유로(미도시)가 형성되는데, 이에 대해서는 후술한다.

물 유입부(101a)는 일측 좌우에 한쌍으로 이격 형성되고, 물 배출부(101b)는 타측 좌우에 한쌍으로 이격 형성되는데, 물 배출부(101b) 사이에는 전기분해후 생성된 수소가 배출되는 수소 배출부(101c)가 배치된다. 물 유입부(101a) 사이에도 수소 배출부(101c)와 대응되는 형상의 기체 유입부가 배치되어 생성된 수소가 배출될 때 유로가 형성될 수 있도록 한다.

또한, 본 발명의 일실시예에서는 물 유입부(101a)로부터 유입된 물을 제1유로(110)의 유입단(111)으로 안내하도록 물 유입부(101a)와 제1유로(110)의 유입단(111) 사이에는 연결채널(120)이 형성될 수 있다.

본 발명에서 제1유로(110)는, 물 유입부(101a)와 물 배출부(101b)를 연결하도록 복수개가 나란하게 형성되는 채널 형태로 구성될 수 있는데, 본 발명에서는 복수개의 제1유로(110)로 각각 유입되는 물이 골고루 분포될 수 있는 형상 및 구조를 찾기 위해 다양한 유로 형상 및 구조로 실험하였고, 결과적으로 도 4에 도시된 최적화된 실시예를 도출하였다.

도 4에 도시된 실시예에서는, 복수개의 제1유로(110) 중 물 유입부(101a)와 물 배출부(101b)에 인접한 제1유로(110)의 길이가 더 길게 형성된다. 이와 같이 구성됨으로써 좌우측에 위치한 제1유로(110)에서 유입되어 배출되는 물이 보다 큰 유동저항을 받게 되어 전체적으로 중앙에 위치한 제1유로(110)와 좌우측에 위치한 제1유로(110)을 통과하는 유량의 편차가 감소하며 유량이 골고루 분포될 수 있게 된다.

일실시예로서, 복수개의 제1유로(110)는, 좌우측에서 중앙으로 갈수록 점차 그 길이가 짧아지게 형성되어 복수개의 제1유로(110)의 단부(111,113)가 대략 'V'형을 이룰 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 전체적인 제1유로(110)의 유입 단부(111)가 제1경사각(α)을 가질 수 있으며, 제1유로(110)의 배출 단부(113)가 제2경사각(β)을 가지도록 형성될 수 있다. 여기서, 제1 및 제2경사각은 동일한 각도일 수도 있지만, 필요에 따라서는 서로 상이한 각도로 형성될 수도 있다.

이와 같이 본 발명에서는 제1유로(110)가 좌우측에서 중앙으로 점진적으로 감소되는 형상으로 구성됨으로써 유입되는 물이 자연스럽게 중앙에 위치한 제1유로(110)로 안내되며 유량의 편차를 줄일 수 있게 된다. 추가적으로, 본 발명에서는 좌우측에서 중앙에 위치한 제1유로(110)로 안내될 때, 중앙으로 가는 경로 상의 유체 저항을 줄이기 위해 경사부(107)를 구비할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 제1유로(110)를 가로지르며 형성되는 제1관통유로(115)를 더 포함할 수 있는데, 이러한 제1관통유로(115)는 제1유로(110)를 통해 유동하는 물이 일시적으로 체류될 수 있는 버퍼 구역(buffer zone)을 형성함으로써 복수의 제1유로(110)를 따라 유동되는 물의 편차를 줄일 수 있게 된다.

여기서, 제1관통유로(115)는 제1유로(110) 상의 임의의 위치에서 가로 방향으로 형성될 수 있다. 일례로, 물 유입부(101a)에 인접한 위치 및/또는 물 배출부(101b)에 인접한 위치에 가로 방향으로 형성될 수 있다.

본 발명의 또다른 실시예로서, 물 유입부(101a)와 제1유로(110)의 유입단(111), 또는 물 배출부(101b)와 제1유로(110)의 배출단(113) 사이에는 각각 복수의 연결채널(120,130)이 배치되어 유입되는 물이 중앙에 위치한 제1유로(110)로 안내하거나 배출되는 물이 좌우측에 위치한 물 배출부(101b)로 안내되도록 구성할 수 있다.

여기서, 각각의 연결채널(120,130)은 그 폭(d)이 동일하게 형성될 수 있지만, 외측에 위치한 연결채널(120,130)보다는 내측(즉, 중앙에 인접)에 위치한 연결채널(120,130) 중 적어도 일부의 채널폭(d)이 더 넓게 형성될 수 있다. 이와 같이 구성될 경우, 중앙에 위치한 제1유로(110)로 보다 많은 유량을 안내하여 유량 편차를 줄일 수 있기 때문에 보다 바람직하다.

또한, 바람직하게는, 복수개의 연결채널(120,130)이 중앙을 향해 경사지게 형성됨으로써 중앙에 위치한 제1유로(110)로 보다 많은 양의 물이 이동될 수 있도록 구성할 수 있다.

또한, 복수개의 연결채널(120,130)은, 연결채널(120,130)을 가로지르며 형성되는 제2관통유로(121,131)를 더 포함하여 버퍼 구역을 형성할 수도 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은, 제1유로(110)의 유입단(111) 및 배출단(113)의 'V'자 형상, 연결채널(120,130)의 형상, 및 버퍼 구역 형성을 위한 관통유로(115)들을 포함할 수 있다. 이러한 각 구성들은 도 4에 도시된 실시예와 같이 하나의 바이폴라 플레이트(100)에 모두 포함될 수도 있지만, 선택적으로 하나 또는 두개의 구성만 포함될 수도 있다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 제1면의 다양한 실시예에 따른 유동해석 결과이다. 이러한 다양한 실시예들을 실험한 결과로써 도 4의 최적 실시예가 도출되었다.

먼저, 도 5a는 제1유로(110)의 유입단(111) 및 배출단(113)이 동일한 높이에 위치되며, 연결채널(120,130)의 채널폭을 동일하게 형성하고, 관통유로(115)를 형성하지 않은 상태의 실시예에 대한 유동 해석 결과이다. 이를 기준으로 하여 본 발명의 다양한 실시예들의 효과를 비교하였다. 여기서, 가로축은 제1유로(110)의 각 채널들이고, 세로축은 유량 편차를 나타낸다. 각 편차값은 평균유량을 기준값으로 하고 이에 대한 편차를 계산한 것으로 (+)값은 평균유량보다 많은 유량이 유동된 것을 의미하고, (-)값은 평균유량보다 적은 유량이 유동된 것을 의미한다.

도 5b는 도 5a의 실시예에 관통유로(115)를 추가한 실시예에 대한 유동 해석 결과로서, 이를 참조하면 중앙에 위치한 제1유로(110)의 최대 유량값이 감소되었다. 이에 따라 관통유로(115)를 통해 유량 편차를 줄이는 효과가 있음을 알 수 있다.

도 5c는 도 5a의 실시예에서 연결채널(120,130)의 채널폭을 다르게 형성(여기서는 총 7개의 연결채널을 형성하고, 중앙에 인접한 6번째 연결채널의 단면적을 5% 증가시키고 중앙에 인접한 7번째 연결채널의 단면적을 10% 증가시킴)하고 연결채널(120,130)을 중앙측으로 경사지게 변경한 실시예에 대한 유동 해석 결과로서, 이를 참조하면 중앙에 위치한 제1유로(110)의 최대 유량값이 다소 감소하였고, 특히 좌우측에 위치한 제1유로(110)에서의 유량이 평탄화되며 유량 편차가 감소되었음을 알 수 있다.

도 5d는 도 5a의 실시예에서 제1유로(110)의 유입단(111) 및 배출단(113)이 대략 'V'자형으로 형성되도록 변경한 실시예에 대한 유동 해석 결과로서, 이를 참조하면 중앙에 위치한 제1유로(110)의 최대 유량값이 상당히 감소되었고, 좌우측에 위치한 제1유로(110)에서도 유량의 최대 유량값이 감소되었음을 알 수 있다.

도 5e는 도 5a의 실시예에서 도 5b 내지 도 5d에 추가된 특징들(제1관통유로(115)를 추가하고, 연결채널(120,130)의 채널폭을 다르게 형성하고, 제1유로(110)의 유입단(111) 및 배출단(113)이 대략 'V'자형으로 형성)을 모두 포함하고, 추가적으로 연결채널(120,130)에 제2관통유로(121,131) 및 경사부(107)를 더 포함시킨 실시예(즉, 도 4에 도시된 실시예)에 대한 유동 해석 결과로서, 이를 참조하면 중앙에 위치한 제1유로(110)의 최대 유량값이 대폭 감소되었을 뿐만 아니라 좌우측에 위치한 제1유로(110)에서도 유량이 상당히 평탄화되면서 전체적으로 제1유로(110)의 각 채널별 유량 편차가 최소화되었음을 알 수 있다. 여기서, 제1관통유로(115)는 물 배출부(101b)에 인접하게 위치되는데, 발명자는 실험을 통해 제1관통유로(115)의 위치가 상기 위치에 배치될 경우 유동 편차가 제일 적음을 알 수 있었다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트(100)는 제1유로(110)의 최적화를 위해 다양한 형상의 유로 구조에 대해 실험을 수행하였고, 결과적으로 유량 편차가 최소화된 도 4에 도시된 실시예를 도출할 수 있었다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 제2면을 도시한 평면도이다.

도 6을 참조하면, 도 4에 도시된 바이폴라 플레이트(100)의 제1면(101)에 반대편에 위치한 제2면(102)을 도시한 것으로, 물이 전기분해되어 생성된 수소가 확산되는 제2유로(110')가 형성된다.

제2유로(110')는 도 4의 제1유로(110)에 포함된 제1관통유로(115), 채널폭이 다른 연결채널(120,130), 제1유로(110)의 유입단(111) 및 배출단(113)이 대략 'V'자형으로 형성되는 특징들을 포함하지 않고, 동일한 유로 길이를 갖는 단순화된 형상으로 형성된다. 이는 생성되는 수소가 기체이기 때문에 유량 편차가 크지 않을 뿐 아니라 유량 편차가 수소 생성 효율에 미비한 영향을 주기 때문에 이와 같이 단순한 구조로 형성되었다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트에 결합되는 씰링부재를 도시한 평면도이다.

도 7을 참조하면, 씰링부재(14)는 도 3에 도시된 본 발명의 바이폴라 플레이트(100)에 안착되어 멤브레인(17)과 기밀을 유지하는 부품으로, 바이폴라 플레이트(100)에 형성된 안착홈(103)에 삽입되도록 안착홈(103)의 형상에 대응되도록 구성된다.

또한, 유입/유출되는 물과 산소, 수소들이 외부로 노출되지 않도록 물 유입부(101a)와 물 배출부(101b), 수소 배출부(101c)를 감싸도록 제1루프부(loop portion, 14a)가 구비된다.

본 발명의 실시예에서 씰링부재(14)는 기밀성을 더욱 향상시킬 수 있도록 씰링부재(14)의 에지를 따라 다수의 제2루프부(14b)가 형성될 수 있다. 제2루프부(14b)는 바이폴라 플레이트(100)의 안착홈(103)에 돌출 형성된 끼움부(105)에 대응되게 형성되어 서로 결합됨으로써 외부 진동이나 충격에도 기밀하고 견고한 씰링 상태를 유지할 수 있게 된다. 여기서, 씰링부재(14)는 탄성소재로 형성되며 기밀성을 가지는 것이 바람직하다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 바이폴라 플레이트(100)는 최적화된 유로 형상을 가지도록 설계됨으로써 다수의 유로 채널로 유입되어 전기분해되는 물이 각 유로에 골고루 분포되며 유동되어 수소 생산 효율이 극대화되는 효과가 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 전기화학 전해장치
11: 엔드 플레이트(end plate)
13: 전류 공급부(current collector)
15: 제1전극
16: 제2전극
17: 멤브레인(membrane)
100: 바이폴라 플레이트
101a: 물 유입부
101b: 물 배출부
110: 제1유로
115: 제1관통유로
120,130: 연결채널

Claims (10)

1. 제1면에는 제1유체가 제1전극과 접하는 제1유로가 형성되고, 제2면에는 제1가스가 확산되는 제2유로가 각각 형성되는 바이폴라 플레이트에 있어서,
   제1면은,
   제1유체가 유입되어 배출되도록 일측에 좌우로 한쌍의 제1유체 유입부가 이격 형성되고, 타측에 좌우로 한쌍의 제1유체 배출부가 이격 형성되고,
   제1유로는,
   복수개가 나란하게 제1유체 유입부 및 제1유체 배출부를 연결하도록 형성되고,
   복수개의 제1유로 중 제1유체 유입부 또는 제1유체 배출부에 인접한 제1유로의 길이가 더 길게 형성되는, 바이폴라 플레이트.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   복수개의 제1유로는,
   좌우측에서 중앙으로 갈수록 그 길이가 짧아지게 형성되어 복수개의 제1유로의 단부가 'V'형을 이루는, 바이폴라 플레이트.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   제1유로를 가로지르며 형성되는 제1관통유로를 더 포함하는, 바이폴라 플레이트.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   제1관통유로는 제1유체 배출부에 인접하여 배치되는, 바이폴라 플레이트.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   제1유체 유입부와 제1유로의 유입단, 또는 제1유체 배출부와 제1유로의 배출단 사이에는 복수의 연결채널이 배치되고,
   복수개의 연결채널 중 적어도 일부는 채널폭이 더 넓게 형성되는, 바이폴라 플레이트.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   복수개의 연결채널을 가로지르며 형성되는 제2관통유로를 더 포함하는, 바이폴라 플레이트.
   
7. 청구항 5에 있어서,
   복수개의 연결채널은 중앙을 향해 경사지게 형성되는, 바이폴라 플레이트.
   
8. 제1면에는 제1유체가 제1전극과 접하는 제1유로가 형성되고, 제2면에는 제1가스가 확산되는 제2유로가 각각 형성되는 바이폴라 플레이트에 있어서,
   제1면은,
   제1유체가 유입되어 배출되도록 일측에 좌우로 한쌍의 제1유체 유입부가 이격 형성되고, 타측에 좌우로 한쌍의 제1유체 배출부가 이격 형성되고,
   제1유로는,
   복수개가 나란하게 제1유체 유입부와 제1유체 배출부를 연결하도록 형성되고,
   제1유로를 가로지르며 연장되는 제1관통유로를 더 포함하는, 바이폴라 플레이트.
   
9. 제1면에는 제1유체가 제1전극과 접하는 제1유로가 형성되고, 제2면에는 제1가스가 확산되는 제2유로가 각각 형성되는 바이폴라 플레이트에 있어서,
   제1면은,
   제1유체가 유입되어 배출되도록 일측에 좌우로 한쌍의 제1유체 유입부가 이격 형성되고, 타측에 좌우로 한쌍의 제1유체 배출부가 이격 형성되고,
   제1유로는,
   복수개가 나란하게 제1유체 유입부와 제1유체 배출부를 연결하도록 형성되고,
   제1유체 유입부와 제1유로의 유입단, 또는 제1유체 배출부와 제1유로의 배출단 사이에는 복수의 연결채널이 배치되고,
   복수개의 연결채널 중 적어도 일부는 채널폭이 더 넓게 형성되는, 바이폴라 플레이트.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    복수개의 연결채널을 가로지르며 연장되는 제2관통유로를 더 포함하는, 바이폴라 플레이트.

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