KR20230000180U - 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀 - Google Patents
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Abstract
확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트, 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트, 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트, 복수의 수소 챔버들, 및 복수의 산소 챔버들을 포함한다. 여기서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀에 수소 유출구 채널, 산소 유출구 채널, 및 물 유입구 채널이 형성된다. 수소 유출구 채널이 복수의 수소 챔버들 각각에 커플링되고, 산소 유출구 채널 및 물 유입구 채널이 복수의 산소 챔버들 각각에 커플링되어, 물을 전기 분해한 후에 가스 및 액체를 다이버팅할 수 있는 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀을 제공한다.
Description
본 출원은 2019년 4월 25일자로 출원된 중국 출원 번호 제CN201910336337.2호에 기반하고 이로부터 우선권을 주장하며, 이 중국 출원의 개시 내용은 이로써 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
본 발명은 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(ion-exchange membrane electrolysis cell), 더 구체적으로, 물을 전기 분해하고 가스 및 액체를 다이버팅(divert)할 수 있는 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀을 제공한다.
이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀들은 물을 전기 분해하기 위해 일반적으로 사용되는 셀들 중 하나이다. 종래의 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀들은 애노드(anode) 섹션과 캐소드(cathode) 섹션을 분리하는 이온-교환 멤브레인이 장착되고, 물 유입구/유출구(inlet/outlet)) 및/또는 가스 유입구/유출구를 갖는다. 그러나, 종래의 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀들의 공간은 2개의 섹션들로만 분할되며, 각각의 섹션에 하나의 전극 플레이트(electrode plate)만이 배치될 수 있다. 대량의 물이 전기 분해될 필요가 있는 경우, 종래의 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 전기 분해를 위한 물의 양을 증가시키기 위해, 단지, 전기 분해 셀의 부피를 증가시키고 전극 플레이트의 면적을 증가시킬 수 있다. 그러나, 전기 분해를 위한 물의 양은 전기 분해 셀의 부피 및 전극 플레이트의 면적의 증가에 정비례하지 않고, 그에 따라, 종래의 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 전기 분해 효율은 크게 개선되는 것이 가능하지 않다.
위에서 설명된 문제들로부터 알 수 있는 바와 같이, 위의 문제들을 해결하기 위한 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀을 제공하는 것이 개선되어야만 하는 목적이다.
위에서 언급된 문제들에 대한 응답으로, 본 발명의 목적은 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀을 제공하는 것이다. 본 발명의 특정 실시예에 따르면, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 적어도 하나의 바이폴라(bipolar) 전극 플레이트, 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트, 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트, 복수의 산소 챔버들(chambers), 및 복수의 수소 챔버들을 포함한다. 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트는 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트 사이에 배치된다. 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트는 애노드 플레이트와 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트 사이에 배치되며, 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트는 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트와 캐소드 플레이트 사이에 배치된다. 복수의 산소 챔버들은 애노드 플레이트와 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트 사이, 및 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트와 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트 사이에 형성되며, 복수의 수소 챔버들은 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트와 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트 사이, 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트와 캐소드 플레이트 사이에 형성된다. 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀에 수소 유출구 채널(channel), 산소 유출구 채널, 및 물 유입구 채널이 형성되고, 수소 유출구 채널은 복수의 수소 챔버들 각각에 커플링되고, 산소 유출구 채널 및 물 유입구 채널은 복수의 산소 챔버들 각각에 커플링된다.
실시예에서, 산소 챔버들은 애노드 플레이트에 인접한 제1 산소 챔버를 포함한다. 애노드 플레이트의 하나의 표면은 볼록한 주변부(convex periphery) 및 오목한 중심부(recessed center)를 갖는다. 오목한 중심부에 공간이 형성되고, 제1 산소 챔버는 공간을 포함한다. 볼록한 주변부는, 애노드 플레이트와 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트가 적층될 때, 수소 유출구 채널의 부분, 산소 유출구 채널의 부분, 및 물 유입구 채널의 부분에 대응하는 복수의 홀들(holes)을 가지며, 산소 유출구 채널 및 물 유입구 채널은 오목한 중심부에 커플링된다.
실시예에서, 수소 챔버들은 캐소드 플레이트에 인접한 제1 수소 챔버를 포함한다. 캐소드 플레이트의 하나의 표면은 볼록한 주변부 및 오목한 중심부를 갖는다. 오목한 중심부에 공간이 형성되고, 제1 수소 챔버는 공간을 포함하며, 수소 유출구 채널은 오목한 중심부에 커플링된다.
실시예에서, 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트는 캐소드 표면 및 애노드 표면을 갖고, 캐소드 표면 및 애노드 표면 각각은 볼록한 주변부 및 오목한 중심부를 갖는다. 수소 챔버들은 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트의 캐소드 표면에 인접한 제2 수소 챔버를 포함한다. 오목한 중심부에 제1 공간이 형성되고, 제2 수소 챔버는 제1 공간을 포함한다. 산소 챔버들은 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트의 애노드 표면에 인접한 제2 산소 챔버를 포함한다. 오목한 중심부에 제2 공간이 형성되고, 제2 산소 챔버는 제2 공간을 포함한다. 캐소드 표면 및 애노드 표면의 볼록한 주변부들은, 적층될 때, 수소 유출구 채널의 부분, 산소 유출구 채널의 부분, 및 물 유입구 채널의 부분에 대응하는 복수의 홀들을 가지며, 수소 유출구 채널은 캐소드 표면의 오목한 중심부에 커플링되고, 산소 유출구 채널 및 물 유입구 채널은 애노드 표면의 오목한 중심부에 커플링된다.
실시예에서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 복수의 실리콘 밀봉 개스킷들(silicon sealing gaskets)을 더 포함한다. 실리콘 밀봉 개스킷들은 애노드 플레이트와 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트 사이, 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트와 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트 사이, 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트와 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트 사이, 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트와 캐소드 플레이트 사이에 각각 배치된다. 실리콘 밀봉 개스킷들 각각은 중공(hollow) 섹션 및 환상(annular) 섹션에 의해 형성된 중공 환상 구조이다. 수소 유출구 채널, 산소 유출구 채널, 및 물 유입구 채널은 실리콘 밀봉 개스킷들 각각의 환상 섹션을 통과한다.
실시예에서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은, 실리콘 밀봉 개스킷들 각각의 중공 섹션에 각각 배치되고, 인접한 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트 또는 인접한 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트에 각각 부착된 복수의 디퓨저(diffuser) 플레이트들을 더 포함한다.
실시예에서, 애노드 플레이트의 표면, 캐소드 플레이트의 표면, 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트의 2개의 표면들 중 적어도 하나는 오목한 중심부를 갖는다. 오목한 중심부는 복수의 범프(bump)들, 및 범프들 사이에 형성된 복수의 그루브(groove)들을 갖는다. 범프들은 대응하는 디퓨저 플레이트와 접하도록 구성된다. 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트, 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트, 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트가 적층될 때, 범프들은 대응하는 디퓨저 플레이트가 대응하는 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트 또는 대응하는 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트와 접하게 한다. 그루브들은 수소 유출구 채널, 산소 유출구 채널, 및 물 유입구 채널 중 적어도 하나에 각각 커플링된다.
실시예에서, 디퓨저 플레이트들은 복수의 세공들(pores)을 갖고, 그에 따라, 세공들을 통해 물, 수소, 및 산소가 유동(flow)한다.
실시예에서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 복수의 세퍼레이터(separator)들을 더 포함한다. 세퍼레이터들은 수소 유출구 채널에 대한 수소 챔버들 각각의 접합부들, 및 산소 유출구 채널 및 물 유입구 채널에 대한 산소 챔버들의 접합부들에 각각 배치된다. 세퍼레이터들은 각각, 복수의 포트들(ports)을 형성하기 위해, 대응하는 실리콘 밀봉 개스킷들에 맞대어 접하고, 수소 유출구 채널은 포트들의 부분을 통해 수소 챔버들에 커플링되며, 산소 유출구 채널 및 물 유입구 채널은 포트들의 다른 부분을 통해 산소 챔버들에 커플링된다.
실시예에서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은, 캐소드 플레이트를 향하는 다른 면 반대편에 있는 애노드 플레이트의 면과, 애노드 플레이트를 향하는 다른 면 반대편에 있는 캐소드 플레이트의 면 중 적어도 하나의 위치 위에 배치된 적어도 하나의 전기 절연 서멀 보드(thermal board)를 더 포함한다. 적어도 하나의 전기 절연 서멀 보드는 외부 환경으로부터 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 전류를 격리시키고, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀 내의 열 에너지를 외부 환경으로 전도하도록 구성된다.
실시예에서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은, 캐소드 플레이트를 향하는 다른 면 반대편에 있는 애노드 플레이트의 면과, 애노드 플레이트를 향하는 다른 면 반대편에 있는 캐소드 플레이트의 면 중 적어도 하나의 위치 위에 배치된 적어도 하나의 복사(radiating) 플레이트를 더 포함한다. 적어도 하나의 복사 플레이트는 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀 내의 열 에너지를 외부 환경으로 소산시키도록 구성된다.
실시예에서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 복수의 잠금 채널들 및 복수의 잠금 컴포넌트들을 더 포함한다. 잠금 채널들은, 잠금 컴포넌트들을 피팅(fitting)하기 위해, 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트, 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트, 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트를 통과한다.
다른 특정 실시예에서, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 제1 바이폴라 전극 플레이트, 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트, 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트, 제1 산소 챔버, 제2 산소 챔버, 제1 수소 챔버, 및 제2 수소 챔버를 포함한다. 제1 바이폴라 전극 플레이트는 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트 사이에 배치된다. 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트는 애노드 플레이트와 제1 바이폴라 전극 플레이트 사이에 수용될 수 있다. 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트는 캐소드 플레이트와 제1 바이폴라 전극 플레이트 사이에 수용될 수 있다. 제1 산소 챔버는 애노드 플레이트에 인접하고, 제1 수소 챔버는 캐소드 플레이트에 인접하고, 제2 산소 챔버는 제1 바이폴라 전극 플레이트의 애노드 표면에 인접하며, 제2 수소 챔버는 제1 바이폴라 전극 플레이트의 캐소드 표면에 인접하다. 여기서, 제1 산소 챔버 및 제2 산소 챔버에 산소 유출구 채널이 커플링되고, 제1 수소 챔버 및 제2 수소 챔버에 수소 유출구 채널이 커플링된다.
실시예에서, 제1 산소 챔버는 제1 수소 챔버 및 제2 수소 챔버에 유체가 흐르도록 연결(fluidly coupled)되지 않으며, 제2 산소 챔버는 제1 수소 챔버 및 제2 수소 챔버에 유체가 흐르도록 연결되지 않는다.
실시예에서, 산소 유출구 채널은 적어도 애노드 플레이트로부터 캐소드 플레이트까지 연장되며, 수소 유출구 채널은 적어도 애노드 플레이트로부터 캐소드 플레이트까지 연장된다.
실시예에서, 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트는 각각, 제1 오목한 중심부, 복수의 제1 범프들, 및 복수의 제1 그루브들을 포함한다. 제1 범프들은 제1 오목한 중심부에 배치되고, 제1 그루브들은 제1 범프들 사이에 배치된다. 제1 산소 챔버는 애노드 플레이트의 제1 그루브들을 포함하고, 애노드 플레이트의 제1 그루브들은 산소 유출구 채널에 커플링되며; 제1 수소 챔버는 캐소드 플레이트의 제1 그루브들을 포함하고, 캐소드 플레이트의 제1 그루브들은 수소 유출구 채널에 커플링된다.
실시예에서, 제1 바이폴라 전극 플레이트의 애노드 표면 및 캐소드 표면은 각각, 제2 오목한 중심부, 복수의 제2 범프들, 및 복수의 제2 그루브들을 포함한다. 제2 범프들은 제2 오목한 중심부에 배치되고, 제2 그루브들은 제2 범프들 사이에 배치된다. 제2 산소 챔버는 애노드 표면의 제2 그루브들을 포함하고, 애노드 표면의 제2 그루브들은 산소 유출구 채널에 커플링된다. 제2 수소 챔버는 캐소드 표면의 제2 그루브들을 포함하고, 캐소드 표면의 제2 그루브들은 수소 유출구 채널에 커플링된다.
실시예에서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 산소 도관 및 수소 도관을 더 포함한다. 산소 유출구 채널은 캐소드 플레이트 또는 애노드 플레이트를 통과하고, 산소 도관에 커플링되며, 수소 유출구 채널은 캐소드 플레이트 또는 애노드 플레이트를 통과하고, 수소 도관에 커플링된다.
실시예에서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 제2 바이폴라 전극 플레이트, 제3 산소 챔버, 및 제3 수소 챔버를 더 포함한다. 제2 바이폴라 전극 플레이트는 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트 사이에 배치된다. 제3 산소 챔버는 제2 바이폴라 전극 플레이트의 애노드 표면에 인접하다. 제3 수소 챔버는 제2 바이폴라 전극 플레이트의 캐소드 표면에 인접하다. 산소 유출구 채널은 제1 산소 챔버, 제2 산소 챔버, 및 제3 산소 챔버에 커플링되고, 수소 유출구 채널은 제1 수소 챔버, 제2 수소 챔버, 및 제3 수소 챔버에 커플링된다.
실시예에서, 제3 산소 챔버는 제1 수소 챔버, 제2 수소 챔버, 및 제3 수소 챔버에 유체가 흐르도록 연결되지 않으며, 제3 수소 챔버는 제1 산소 챔버, 제2 산소 챔버, 및 제3 산소 챔버에 유체가 흐르도록 연결되지 않는다.
종래 기술과 비교할 때, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 다음의 이점들을 갖는다:
1.
본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 바이폴라 전극 플레이트, 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트, 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트는 독립적인 플레이트들이다. 전기 분해 후에 칼슘 축적 문제가 발생할 때, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 세정을 위해 해체될 수 있다. 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 임의의 파트가 심하게 손상될 때에도, 손상된 플레이트는, 다수의 컴포넌트들 또는 전체 전기 분해를 교체하는 의도로, 새로운 플레이트로 직접 교체될 수 있다.
2.
본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 및 바이폴라 전극 플레이트는 모두, 전기 분해 셀이 동작하는 것을 방해하는 불안정적인 설치의 문제가 없는, 일체로 형성된 전극 플레이트들일 수 있다.
3.
본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 주로, 하나의 애노드 플레이트, 하나의 캐소드 플레이트, 및 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트를 라미네이팅(laminating)함으로써 형성된다. 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트는 전기 분해를 위해 각각 양 및 음의 전류들에 연결되며, 바이폴라 전극 플레이트는 전류에 연결될 필요가 없다. 바이폴라 전극 플레이트는 양 및 음의 극성을 형성하기 위해 애노드 플레이트와 캐소드 플레이트 사이의 전위차를 사용한다. 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은 바이폴라 전극 플레이트를 사용하여, 각각의 전극 플레이트가 전류와 연통하도록 요구하는 구성을 제거하고, 또한, 다수의 전극 플레이트들이 양의 콘택들 및 음의 콘택들과 연결되는 것에 의해 야기되는 종래의 전기 분해 셀의 문제를 제거한다.
4.
본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 바이폴라 전극 플레이트는 애노드 플레이트와 바이폴라 전극 플레이트 사이에 형성된 전기 분해 공간을 위한 캐소드이며, 바이폴라 전극 플레이트는 캐소드 플레이트와 바이폴라 전극 플레이트 사이에 형성된 전기 분해 공간을 위한 애노드이다. 이 특성으로 인해, 바이폴라 전극 플레이트의 하나의 표면은 물을 전기 분해하여 수소를 생성할 수 있고, 다른 표면은 물을 전기 분해하여 산소를 생성할 수 있다. 따라서, 애노드 플레이트 및 캐소드 플레이트가 스태거(stagger)되는 것을 요구하는 종래의 전기 분해 셀과 비교할 때, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀에 배치된 전극 플레이트들의 수는 종래의 전기 분해 셀의 전극 플레이트들의 수보다 더 적고, 그에 의해, 비용 및 부피가 절약된다.
5.
본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은, 유동을 가이딩하기 위해 선형 밀봉 개스킷을 사용하는 종래의 전기 분해 셀 대신에, 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 및 바이폴라 전극 플레이트 자체의 구조적 설계를 사용하여 물 및 가스의 유동을 가이드(guide)한다. 따라서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀은, 밀봉 개스킷의 노후 또는 선형 밀봉 개스킷으로 인해 종래의 전기 분해 셀이 오정렬되는 문제를 제거한다.
실시예들의 일부가 다음의 도면들을 참조하여 상세히 설명될 것이며, 도면들에서, 유사한 명칭들은 유사한 멤버들을 표시한다.
도 1은 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 일 실시예의 구조적 분해 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 수소 유출구 채널, 산소 유출구 채널, 및 물 유입구 채널의 개략도를 도시한다.
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 도 1에 따른 애노드 플레이트의 상이한 시점들의 개략도를 도시한다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 도 1에 따른 캐소드 플레이트의 상이한 시점들의 개략도를 도시한다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 도 1에 따른 바이폴라 전극 플레이트의 상이한 시점들의 개략도를 도시한다.
도 6은 도 1에 따른 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 및 바이폴라 전극 플레이트의 적층 개략도를 도시한다.
도 7은 도 1에 따른 전기 분해 공간의 개략도를 도시한다.
도 8a는 도 1에 따른 세퍼레이터의 측면도를 도시한다.
도 8b는 도 1에 따른 세퍼레이터의 외관 개략도를 도시한다.
도 9a는 도 1에 따른 세퍼레이터의 사용 상태 개략도를 도시한다.
도 9b는 도 1에 따른 세퍼레이터의 사용 상태 개략도의 평면도를 도시한다.
도 10은 도 1에 따른 잠금 채널의 개략도를 도시한다.
도 11은 도 1에 따른 적층 후의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 외관 개략도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 다른 실시예의 구조적 분해 개략도를 도시한다.
본 발명의 이점들, 사상들, 및 특징들은 다음과 같이 실시예들 및 도면들과 함께 설명 및 논의될 것이다.
도 1은 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 일 실시예의 구조적 분해 개략도를 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 수소 유출구 채널, 산소 유출구 채널, 및 물 유입구 채널의 개략도를 도시한다.
도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 도 1에 따른 애노드 플레이트의 상이한 시점들의 개략도를 도시한다.
도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 도 1에 따른 캐소드 플레이트의 상이한 시점들의 개략도를 도시한다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 도 1에 따른 바이폴라 전극 플레이트의 상이한 시점들의 개략도를 도시한다.
도 6은 도 1에 따른 애노드 플레이트, 캐소드 플레이트, 및 바이폴라 전극 플레이트의 적층 개략도를 도시한다.
도 7은 도 1에 따른 전기 분해 공간의 개략도를 도시한다.
도 8a는 도 1에 따른 세퍼레이터의 측면도를 도시한다.
도 8b는 도 1에 따른 세퍼레이터의 외관 개략도를 도시한다.
도 9a는 도 1에 따른 세퍼레이터의 사용 상태 개략도를 도시한다.
도 9b는 도 1에 따른 세퍼레이터의 사용 상태 개략도의 평면도를 도시한다.
도 10은 도 1에 따른 잠금 채널의 개략도를 도시한다.
도 11은 도 1에 따른 적층 후의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 외관 개략도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀의 다른 실시예의 구조적 분해 개략도를 도시한다.
본 발명의 이점들, 사상들, 및 특징들은 다음과 같이 실시예들 및 도면들과 함께 설명 및 논의될 것이다.
개시되는 장치 및 방법의 이하에서 설명되는 실시예들의 상세한 설명은 예시를 위해 본원에서 제시되며, 도면들을 참조하여 제한되지 않는다. 특정 실시예들이 상세하게 도시 및 설명되었지만, 첨부 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경들 및 변형들이 이루어질 수 있음이 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는 어떠한 방식으로도 구성 컴포넌트들의 수, 이들의 재료들, 이들의 형상들, 이들의 상대적인 배열 등으로 제한되지 않을 것이며, 단순히 본 발명의 실시예들의 예로서 개시된다.
본 명세서의 설명에서, "실시예에서", "다른 실시예에서", 또는 "일부 실시예들에서"라는 용어들은 본 실시예의 특정 특징, 구조, 재료, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련되는 것을 의미한다. 본 명세서의 설명에서, 언급된 용어들의 개략적인 표현이 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 게다가, 설명된 특정 특징, 구조, 재료, 또는 특성은 적절한 방식으로 임의의 하나 이상의 실시예들에 관련될 수 있다.
본 명세서의 실시예들에서, "또는"이라는 용어는 열거된 컴포넌트들의 일부의 조합, 및 모든 열거된 컴포넌트들의 조합을 포함한다. 예컨대, 설명된 "A 또는 B"는 A만을, B만을, 그리고 A와 B 둘 모두를 포함한다. 더욱이, 본 발명의 엘리먼트 또는 컴포넌트 앞의 "a" 및 "the"라는 용어들은 엘리먼트 또는 컴포넌트의 수를 제한하지 않는다. 따라서, "a" 및 "the"라는 용어들은 하나 또는 적어도 하나를 포함하는 것으로 읽어야 한다. 또한, 단수 형태의 엘리먼트 또는 컴포넌트는 또한, 그 수가 단수 형태를 명확하게 나타내지 않는 한 복수 형태를 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조한다. 도 1은 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 일 실시예의 구조적 분해 개략도를 도시한다. 도 2는 도 1에 따른 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)의 개략도를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트(3), 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41), 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)를 포함한다. 바이폴라 전극 플레이트(3)는 애노드 플레이트(1)와 캐소드 플레이트(2) 사이에 배치된다. 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)는 애노드 플레이트(1)와 바이폴라 전극 플레이트(3) 사이에 배치되며, 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)는 캐소드 플레이트(2)와 바이폴라 전극 플레이트(3) 사이에 배치된다. 이 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 바이폴라 전극 플레이트(3), 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41), 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)가 서로 적층될 때, 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 바이폴라 전극 플레이트(3), 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41), 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 연통되는 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)이 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)에 형성된다. 일 실시예에서, 산소 유출구 채널(Z2)은 적어도 애노드 플레이트(1)로부터 캐소드 플레이트(2)까지 연장되며, 수소 유출구 채널(Z1)은 적어도 애노드 플레이트(1)로부터 캐소드 플레이트(2)까지 연장된다.
구체적으로, 도 2는 물을 입력하고 수소 및 산소를 각각 출력하는 애노드에 대한 단면(single-side) 진입 및 진출 구조를 갖는 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)을 도시한다. 이 실시예의 애노드에 대한 단면 진입 및 진출 구조에서, 애노드 플레이트(1), 바이폴라 전극 플레이트(3), 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41), 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)는 모두, 서로 대응하는 홀들(11)을 갖는다. 전극 플레이트들이 조립 및 연결될 때, 대응하는 홀들(11)은 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하도록 서로 연통된다. 이 때, 캐소드 플레이트(2)에는 대응하는 홀들(11)이 없으며; 이에 의해, 채널들은 캐소드 플레이트(12)를 통과하지 않고, 물, 수소, 및 산소는 하나의 면으로부터 입력 및 출력된다. 반대로, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)이 캐소드에 대한 단면 진입 및 진출 구조인 경우, 캐소드 플레이트(2), 바이폴라 전극 플레이트(3), 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41), 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)는 모두, 서로 대응하는 홀들(11)을 갖는다. 홀들(11)은 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하도록 서로 연통하며, 애노드 플레이트(1)에는 대응하는 홀들(11)이 없다. 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)이 양면(double-side) 진입 및 진출 구조인 경우, 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)은 단일-개방형 또는 이중-개방형일 수 있다. 단일-개방형인 경우, 하나의 면은 수소를 출력하고, 다른 면은 산소 및 물을 출력한다. 위에서 언급된 설계 원리에 따르면, 진입 및 진출을 위한 면에 대응하는 홀들(11)이 있으며, 진입 및 진출을 위한 면에 대응하는 다른 면에는 대응하는 홀들(11)이 없다. 이중-개방형인 경우, 수소, 산소, 및 물이 양 면들에서 진입 및 진출할 수 있고, 2개의 면들 상에 대응하는 홀들(11)이 있다. 이 개방형 설계에서, 수소, 산소, 및 물은 각각, 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)의 유동 방향을 갖는다. 실제로, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은 산소 도관(52) 및 수소 도관(51)을 더 포함한다. 산소 유출구 채널(Z2)은 애노드 플레이트(1) 또는 캐소드 플레이트(2)를 관통하여 산소 도관(52)에 연결되며, 수소 유출구 채널(Z1)은 캐소드 플레이트(2) 또는 애노드 플레이트(1)를 관통하여 수소 도관(51)에 연결된다. 다시 말하면, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)에 물을 입력하고, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)로부터 수소 및 산소를 수집하기 위해, 수소 유출구 채널(Z1)과 연통하도록 연장되는 수소 도관(51), 산소 유출구 채널(Z2)과 연통하도록 연장되는 산소 도관(52), 및 물 유입구 채널(Z3)과 연통하도록 연장되는 물 도관(53)을 더 포함한다.
도 3a 내지 도 7을 참조한다. 도 3a, 도 3b, 및 도 3c는 도 1에 따른 애노드 플레이트(1)의 상이한 시점들의 개략도를 도시한다. 도 4a, 도 4b, 및 도 4c는 도 1에 따른 캐소드 플레이트(2)의 상이한 시점들의 개략도를 도시한다. 도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 도 1에 따른 바이폴라 전극 플레이트(3)의 상이한 시점들의 개략도를 도시한다. 도 6은 도 1에 따른 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 및 바이폴라 전극 플레이트(3)의 적층 개략도를 도시한다. 도 7은 도 1에 따른 전기 분해 공간(Z4)의 개략도를 도시한다.
특정 실시예에서, 애노드 플레이트(1) 및 캐소드 플레이트(2)는 모두, 오목한 중심부(13), 복수의 범프들(14), 및 복수의 그루브들(15)을 포함한다. 범프들(14)은 오목한 중심부(13)에 배치되며, 그루브들(15)은 범프들(14) 사이에 배치된다. 제1 산소 챔버(Z61)는 애노드 플레이트(1)의 그루브들(15)을 포함하고, 애노드 플레이트(1)의 그루브들(15)은 산소 유출구 채널(Z2)과 연통한다. 제1 수소 챔버(Z51)는 캐소드 플레이트(2)의 그루브들을 포함하고, 캐소드 플레이트(2)의 그루브들(15)은 수소 유출구 채널(Z1)과 연통한다. 바이폴라 전극 플레이트(3)의 애노드 표면(302) 및 캐소드 표면(301)은 모두, 오목한 중심부(13), 복수의 범프들(14), 및 복수의 그루브들(15)을 포함한다. 범프들(14)은 오목한 중심부(13)에 배치되며, 그루브들(15)은 범프들(14) 사이에 배치된다. 제2 산소 챔버(Z62)는 애노드 표면(302)의 그루브들(15)을 포함하고, 애노드 표면(302)의 그루브들(15)은 산소 유출구 채널(Z2)과 연통한다. 제2 수소 챔버(Z52)는 캐소드 표면(301)의 그루브들(15)을 포함하고, 캐소드 표면(301)의 그루브들(15)은 수소 유출구 채널(Z1)과 연통한다.
다시 말하면, 도 3, 도 4, 및 도 5에 도시된 바와 같이, 도 3a, 도 4a, 및 도 5a는 정면도들이고; 도 3b, 도 4b, 및 도 5b는 배면도들이며; 도 3c, 도 4c, 및 도 5c는 외관의 개략도들이다. 애노드 플레이트(1)의 하나의 표면 및 캐소드 플레이트(2)의 하나의 표면, 및 바이폴라 전극 플레이트(3)의 2개의 표면들은 특별한 구조들을 갖는다. 특별한 구조는 링(ring) 형상의 볼록한 주변부(12), 및 중앙의 오목한 중심부(13)를 갖는다. 명확성을 위해, 오목한 중심부(13)는 점선으로 둘러싸인 선택된 영역이다. 범프들(14), 및 범프들(14) 사이에 형성된 그루브들(15)은 오목한 중심부(13)에 배치된다. 차이는 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 및 바이폴라 전극 플레이트(3) 상의 특별한 구조들의 설계가 약간 상이하다는 것이다.
도 2, 도 3, 및 도 7에 도시된 바와 같이, 애노드 플레이트(1)의 하나의 표면은 (도 3a에 도시된 바와 같은) 특별한 구조를 갖는다. 특별한 구조의 볼록한 주변부(12)가 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)와 적층될 때, 특별한 구조의 오목한 중심부(13)에 제1 산소 챔버(Z61)가 형성될 수 있다. 볼록한 주변부(12)는, 적층될 때, 각각 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하기 위한 홀들(11)을 갖는다. 애노드 플레이트(1) 상의 오목한 중심부(13)는 이들 홀들(11)과 연통하도록 연장될 수 있으며, 이는 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성한다.
도 2, 도 4, 및 도 7에 도시된 바와 같이, 캐소드 플레이트(2)의 하나의 표면은 (도 4a에 도시된 바와 같은) 특별한 구조를 갖는다. 특별한 구조의 볼록한 주변부(12)가 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 적층될 때, 특별한 구조의 오목한 중심부(13)에 제1 수소 챔버(Z51)가 형성될 수 있다. 볼록한 주변부(12)는, 적층될 때, 각각 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하기 위한 홀들(11)을 갖는다. 캐소드 플레이트(2) 상의 오목한 중심부(13)는 이들 홀들(11)과 연통하도록 연장될 수 있으며, 이는 수소 유출구 채널(Z1)을 형성한다.
도 2, 도 5, 및 도 7에 도시된 바와 같이, 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 및 바이폴라 전극 플레이트(3)가 서로 적층될 때, 바이폴라 전극 플레이트(3)는 애노드 플레이트(1)와 캐소드 플레이트(2) 사이에 배치된다(도 6에 도시된 바와 같음). 여기서, 특별한 구조를 갖는 애노드 플레이트(1)의 하나의 표면 및 캐소드 플레이트(2)의 하나의 표면은 서로를 향하도록 배치될 것이다. 바이폴라 전극 플레이트(3)는 애노드 플레이트(1)를 향하는 캐소드 표면(301) 상에서 캐소드 플레이트(2) 상의 특별한 구조와 동일하거나 또는 유사한 특별한 구조를 갖고, 캐소드 플레이트(2)를 향하는 애노드 표면(302) 상에서 애노드 플레이트(1) 상의 특별한 구조와 동일하거나 또는 유사한 특별한 구조를 갖는다. 바이폴라 전극 플레이트(3)는 캐소드 표면(301) 및 애노드 표면(302)을 갖고, 캐소드 표면(302)(도 5b에 도시된 바와 같음) 및 애노드 표면(도 5a에 도시된 바와 같음) 각각은 특별한 구조를 갖는다. 캐소드 표면(301)의 볼록한 주변부(12)가 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)와 적층될 때, 오목한 중심부(13)에 제2 수소 챔버(Z52)가 형성된다. 애노드 표면(302)의 볼록한 주변부(12)가 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 적층될 때, 오목한 중심부(13)에 제2 산소 챔버(Z62)가 형성된다. 캐소드 표면(301) 및 애노드 표면(302)의 볼록한 주변부들(12)은, 적층될 때, 각각 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하기 위한 홀들(11)을 갖는다. 여기서, 캐소드 표면(301) 상의 오목한 중심부(13)는 이들 홀들(11)과 연통하도록 연장될 수 있으며, 이는 수소 유출구 채널(Z1)을 형성한다. 애노드 표면(302) 상의 오목한 중심부(13)는 이들 홀들(11)과 연통하도록 연장될 수 있으며, 이는 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성한다.
오목한 중심부(13)와 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 또는 물 유입구 채널(Z3) 사이의 연통 방법은, 오목한 중심부(13)와 볼록한 주변부들(12)의 대응하는 홀들(11) 사이의 접합부의 높이가 오목한 중심부(13)의 높이와 동일하게 되도록 설계되는 것이며; 이에 의해, 접합부는 연통 공간으로 형성될 것이다. 연통 공간의 2개의 단부들이 홀(11) 및 오목한 중심부(13)와 연통하고, 연통 공간의 2개의 측벽들은 볼록한 주변부들(12)이다.
부가하여, 특별한 구조를 제외하고, 애노드 플레이트(1) 및 캐소드 플레이트(2)는 각각, 외부 전력 공급부의 양의 전류 및 음의 전류를 수용하기 위해 돌출 구조들(16)을 갖고, 바이폴라 전극 플레이트는 그러한 돌출 구조(16)를 갖지 않는다. 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 및 바이폴라 전극 플레이트(3)가 상이한 구조들을 갖도록 설계되는 이유는, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)이, 바이폴라 전극 플레이트(3)의 하나의 표면이 애노드가 되게 하고 다른 표면이 캐소드가 되게 하도록 전위차를 형성하기 위해, 애노드 플레이트(1)와 캐소드 플레이트(2) 사이에 바이폴라 전극 플레이트(3)를 배치하는 것을 사용하기 때문이다. 이러한 설계는 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)이 바이폴라 전극 플레이트(3)를 사용하여, 전류와 각각의 전극 플레이트를 연통시키는 배열을 제거할 수 있게 하고, 또한, 애노드 또는 캐소드에 다수의 전극 플레이트들을 연결함으로써 야기하는 문제를 제거할 수 있게 한다.
다시 도 1 및 도 7을 참조한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 명확한 예시들을 위해, 전기 분해 공간(Z4), 제1 수소 챔버(Z51), 제2 수소 챔버(Z52), 제1 산소 챔버(Z61), 및 제2 산소 챔버(Z62)가 공간 위치들을 나타내기 위해 점선들로 표시된다. 일 실시예에서, 복수의 산소 챔버들(Z6)은 애노드 플레이트(1)와 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41) 사이 및 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트(3)와 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42) 사이에 형성된다. 복수의 수소 챔버들(Z5)은 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)와 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트(3) 사이 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 캐소드 플레이트(2) 사이에 형성된다. 적층될 때, 수소 유출구 채널(Z1)은 수소 챔버들(A5)과 연통하며, 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)은 산소 챔버들(Z6)과 연통한다.
바람직한 실시예에서, 산소 챔버들(Z6)은 애노드 플레이트(1)에 인접한 제1 산소 챔버(Z61)를 포함한다. 애노드 플레이트(1)의 하나의 표면은 볼록한 주변부들(12) 및 오목한 중심부(13)를 갖는다. 볼록한 주변부들(12)이 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)와 적층될 때, 오목한 중심부(13)에 공간이 형성되고, 제1 산소 챔버(Z61)는 공간을 포함한다. 볼록한 주변부들(12)은 수소 유출구 채널(Z1)의 부분, 산소 유출구 채널(Z2)의 부분, 및 물 유입구 채널(Z3)의 부분에 각각 대응하기 위한 홀들을 갖고, 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)은 오목한 중심부(13)와 연통한다.
바람직한 실시예에서, 수소 챔버들(Z5)은 캐소드 플레이트(2)에 인접한 제1 수소 챔버(Z51)를 포함한다. 캐소드 플레이트(2)의 하나의 표면은 볼록한 주변부들(12) 및 오목한 중심부(13)를 갖는다. 볼록한 주변부(12)가 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 적층될 때, 오목한 중심부(13)에 공간이 형성된다. 제1 수소 챔버(Z51)는 공간을 포함하고, 수소 유출구 채널(Z1)은 오목한 중심부(13)와 연통한다.
바람직한 실시예에서, 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트(3)는 캐소드 표면(301) 및 애노드 표면(302)을 갖고, 각각의 애노드 표면(301) 및 애노드 표면(302)은 볼록한 주변부들(12) 및 오목한 중심부(13)를 갖는다. 수소 챔버들(Z5)은 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트(3)의 캐소드 표면(301)에 인접한 제2 수소 챔버(Z52)를 포함한다. 캐소드 표면(301)의 볼록한 주변부(12)가 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)와 적층될 때, 오목한 중심부(13)에 공간이 형성된다. 제2 수소 챔버(Z52)는 공간을 포함한다. 산소 챔버(Z6)는 적어도 하나의 바이폴라 전극 플레이트(3)의 애노드 표면(302)에 인접한 제2 산소 챔버(Z62)를 포함한다. 애노드 표면(302)의 볼록한 주변부(12)가 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 적층될 때, 오목한 중심부(13)에 공간이 형성된다. 제2 산소 챔버(Z62)는 공간을 포함한다. 캐소드 표면(301) 및 애노드 표면(302)의 각각의 볼록한 주변부(12)는 수소 유출구 채널(Z1)의 부분, 산소 유출구 채널(Z2)의 부분, 및 물 유입구 채널(Z3)의 부분에 각각 대응하기 위한 홀들을 갖는다. 수소 유출구 채널(Z1)은 캐소드 표면(301)의 오목한 중심부(13)와 연통하고, 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)은 애노드 표면(302)의 오목한 중심부(13)와 연통한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 하나의 이온-교환 멤브레인 플레이트에 의해 분리된 하나의 수소 챔버와 하나의 산소 챔버는 하나의 전기 분해 공간(Z4)을 형성하기 위해 결합될 수 있다. 따라서, 애노드 플레이트(1)와 바이폴라 전극 플레이트(3) 사이에 형성된 전기 분해 공간(Z4)에서, 제1 산소 챔버(Z61)는 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)와 애노드 플레이트(1) 사이에 배치되고, 제2 수소 챔버(Z52)는 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)와 바이폴라 전극 플레이트(3) 사이에 배치된다. 캐소드 플레이트(2)와 바이폴라 전극 플레이트(3) 사이에 형성된 전기 분해 공간(Z4)에서, 제1 수소 챔버(Z51)는 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 캐소드 플레이트(2) 사이에 배치되고, 제2 산소 챔버(Z62)는 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 바이폴라 전극 플레이트(3) 사이에 배치된다. 여기서, 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 및 바이폴라 전극 플레이트(3)의 특별한 구조 설계로 인해, 제1 산소 챔버(Z61)는 산소 유출구 채널(Z2)을 통해 제2 산소 챔버(Z62)와 연통하고, 제1 수소 챔버(Z51)는 수소 유출구 채널(Z1)을 통해 제2 수소 챔버(Z52)와 연통한다. 다시 말하면, 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)은 전기 분해 공간들(Z4)을 서로 연통시킬 수 있다. 추가로, 제1 산소 챔버(Z61)는 제1 수소 챔버(Z51) 및 제2 수소 챔버(Z52)와 유체가 흐르도록 연통(fluidly communicated)되지 않으며, 제2 산소 챔버(Z62)는 제1 수소 챔버(Z51) 및 제2 수소 챔버(Z52)와 유체가 흐르도록 연통되지 않는다.
다시 도 1, 도 2, 및 도 7을 참조한다. 서로 적층됨으로써 형성된 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)에서 물 누설 및 가스 누설의 가능성을 감소시키기 위해, 그리고 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 물 유입구 채널(Z3), 및 전기 분해 공간들(Z4)이 이들의 독립적인 공간들을 유지하는 상태로 유지하기 위해, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은 복수의 실리콘 밀봉 개스킷들(6)을 더 포함한다. 실리콘 밀봉 개스킷들(6) 각각은 애노드 플레이트(1)와 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41) 사이, 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)와 바이폴라 전극 플레이트(3) 사이, 바이폴라 전극 플레이트(3)와 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42) 사이, 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 캐소드 플레이트(2) 사이에 각각 배치된다. 실리콘 밀봉 개스킷(6)은 환상 섹션(62), 및 환상 섹션(62)에 의해 형성된 중공 섹션(61)을 갖는다. 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)은 실리콘 밀봉 개스킷들(6) 각각의 환상 섹션(62)을 통과한다. 중공 섹션(61)은 전기 분해 공간들(Z4)과 일치한다. 부가하여, 인접 애노드 플레이트(1), 인접 캐소드 플레이트(2), 또는 인접 바이폴라 전극 플레이트(3)를 향하는 실리콘 밀봉 개스킷들(6)의 하나의 표면은 밀봉 효과를 향상시키기 위해 선형 볼록 설계를 갖는다.
본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 전기 분해 효율을 개선하기 위해, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은, 실리콘 밀봉 개스킷들(6) 각각의 중공 섹션(61)에 각각 배치되고, 인접한 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41) 또는 인접한 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)에 각각 부착된 복수의 디퓨저 플레이트들(7)을 더 포함한다. 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 및 바이폴라 전극 플레이트(3)의 범프들(14)은 대응하는 디퓨저 플레이트(7)와 접하도록 구성된다. 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 바이폴라 전극 플레이트(3), 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41), 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)가 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)을 형성하기 위해 서로 적층될 때, 범프들(14)은 대응하는 디퓨저 플레이트(7)가 대응하는 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41) 또는 대응하는 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 접하게 한다. 범프들(14) 사이의 그루브들(15)은 각각, 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3) 중 적어도 하나와 연통한다. 구체적으로, 대응하는 디퓨저 플레이트(7)가 대응하는 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41) 또는 대응하는 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 접하게 하기 위해, 범프들(14)이 대응하는 디퓨저 플레이트(7)에 맞대어 접할 때, 디퓨저 플레이트(7)와 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41) 또는 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42) 사이의 갭에 의해 생성되는 저항이 감소될 수 있다. 실시예에서, 디퓨저 플레이트(7)는 복수의 세공들을 갖는 다공성 전도성 재료이다. 이 때, 디퓨저 플레이트(7)는 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 및 바이폴라 전극 플레이트(3)의 연장부로서 간주될 수 있다. 따라서, 디퓨저 플레이트(7)는 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 또는 바이폴라 전극 플레이트(3) 내의 전류를 수용함으로써 전기장을 형성할 수 있고, 그에 따라, 수소 이온들 및 수산화물 이온들은 디퓨저 플레이트(7)의 세공들에서 방향성 이동을 행할 수 있다. 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41) 또는 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42) 상에 배치된 촉매 층(catalytic layer)과 디퓨저 플레이트(7) 사이의 디퓨저 플레이트(7)의 세공들에서, 애노드는 애노드에 인접한 물이 전자들을 잃어 산소를 생성하게 하고, 캐소드는 캐소드에 인접한 물이 전자들을 획득하여 수소를 생성하게 한다. 디퓨저 플레이트(7)의 세공들은 또한, 물, 수소, 산소가 세공들을 통해 유동한 후에 수소 및 산소의 신속한 생성을 촉진하게 할 수 있다. 전극 플레이트 및 디퓨저 플레이트(7) 상의 수소 기포들 및 산소 기포들은 물의 유동을 통해 이들로부터 제거되고, 그리고 전기 분해 효율을 개선하기 위해 수소 유출구 채널(Z1) 및 산소 유출구 채널(Z2)로 인도된다. 일 실시예에서, 디퓨저 플레이트(7)의 재료는 높은 안정성을 갖는 티타늄일 수 있다. 티타늄은 전기 분해 기능을 보조할 수 있지만, 전기 분해 기능에 참여하지 않는다.
도 7 내지 도 9를 참조한다. 도 8a는 도 1에 따른 세퍼레이터(54)의 측면도를 도시한다. 도 8b는 도 1에 따른 세퍼레이터(54)의 외관 개략도를 도시한다. 도 9a는 도 1에 따른 세퍼레이터(54)의 사용 상태 개략도를 도시한다. 도 9b는 도 1에 따른 세퍼레이터(54)의 사용 상태 개략도의 평면도를 도시한다. 실리콘 밀봉 개스킷들(6)이 제1 수소 챔버(Z51), 제2 수소 챔버(Z52), 및 수소 유출구 채널(Z1) 사이, 및 제1 산소 챔버(Z61), 제2 산소 챔버(Z62), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3) 사이의 연통을 차단하는 것을 방지하기 위해, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은 복수의 세퍼레이터들(54)을 더 포함한다. 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(54)는 평탄 플레이트(541), 및 평탄 플레이트(541) 상에 배치된 복수의 지지 섹션(542)을 포함한다. 각각의 인접한 지지 섹션(542)은 특정 거리로 이격된다. 도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터들(54)은 수소 유출구 채널(Z1)과 연통하는 제2 수소 챔버(Z52)와 제1 수소 챔버(Z51)의 접합부들, 및 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)과 연통하는 제2 산소 챔버(Z62)와 제1 산소 챔버(Z61)의 접합부들에 각각 배치된다. 평탄 플레이트(541)는 대응하는 실리콘 밀봉 개스킷(6)에 맞대어 접하고, 그에 따라, 지지 섹션(542)과 애노드 플레이트(1)에 의해, 지지 섹션(542)과 캐소드 플레이트(2)에 의해, 그리고 지지 섹션(542)과 바이폴라 전극 플레이트(3)에 의해 포트들이 형성된다. 포트들은 각각, 제1 수소 챔버(Z51) 및 제2 수소 챔버(Z52)를 수소 유출구 채널(Z1)과 연통시키고, 제1 산소 챔버(Z61) 및 제2 산소 챔버(Z62)를 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)과 연통시킨다.
다른 실시예에서, 다시 도 1을 참조한다. 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)이, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)에서 과열되지 않도록, 전기 분해 반응 동안 전기 분해에 의해 생성되는 열 에너지를 신속하게 소산시킬 수 있게 하기 위해, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은 적어도 하나의 전기 절연 서멀 보드(8)를 더 포함한다. 전기 절연 서멀 보드(8)는 캐소드 플레이트(2)를 향하는 다른 면 반대편에 있는 애노드 플레이트(1)의 면과, 애노드 플레이트(1)를 향하는 다른 면 반대편에 있는 캐소드 플레이트(2)의 면 중 적어도 하나의 위치 상에 배치된다. 전기 절연 서멀 보드(8)는 외부 환경으로부터 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 전류를 격리시키고, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E) 내의 열 에너지를 외부 환경으로 전도하도록 구성된다. 부가하여, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은 또한, 캐소드 플레이트(2)를 향하는 다른 면 반대편에 있는 애노드 플레이트(1)의 면 상에, 그리고 애노드 플레이트(1)를 향하는 다른 면 반대편에 있는 캐소드 플레이트(2)의 면 상에 배치된 적어도 하나의 복사 플레이트(9)를 더 포함할 수 있다. 복사 플레이트(9)는 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E) 내의 열 에너지를 외부 환경으로 소산시키도록 구성된다. 부가하여, 수소 도관(51), 산소 도관(52), 및 물 도관(53)의 하나의 단부들 각각은, 돌출 외측 에지(58)를 갖기 때문에, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)이 적층 및 조립될 때, 수소 도관(51), 산소 도관(52), 및 물 도관(53)은 애노드 플레이트(1) 후에 먼저 배치된 다음에 복사 플레이트(9)가 배치된다. 이에 의해, 돌출 외측 에지(58)는 애노드 플레이트(1)와 복사 플레이트(9) 사이에 개재(sandwiched)된다.
도 1, 도 10, 및 도 11을 참조한다. 도 10은 도 1에 따른 잠금 채널(Z7)의 개략도를 도시한다. 도 11은 도 1에 따른 적층 후의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 외관 개략도를 도시한다. 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)을 안정적이고 견고하게 만들기 위해, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은 복수의 잠금 채널들(Z7) 및 복수의 잠금 컴포넌트들(55)을 더 포함한다. 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 바이폴라 전극 플레이트(3), 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41), 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42), 실리콘 밀봉 개스킷들(6), 전기 절연 서멀 보드(8), 및 복사 플레이트(9)는 모두, 대응하는 잠금 홀들(56)을 갖는다. 적층된 후에, 대응하는 잠금 홀들(56)이 잠금 채널들(Z7)을 형성하기 위해 적층될 것이다. 각각의 잠금 채널들(Z7)은, 잠금 컴포넌트들의 피팅을 위해, 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 바이폴라 전극 플레이트(3), 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41), 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42), 실리콘 밀봉 개스킷들(6), 전기 절연 서멀 보드(8), 및 복사 플레이트(9)를 통과하며, 도 11은 잠금된 후의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)을 도시한다.
다시 도 1 및 도 11을 참조한다. 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 구조를 절연 및 고정시키기 위해, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은 프레임(57)을 더 포함한다. 프레임(57)은, 서로 적층된 후에, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 주변부 주위에 세팅된다.
도 1 및 도 12를 참조한다. 도 12는 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 다른 실시예의 구조적 분해 개략도를 도시한다. 당업자는 도 1이 하나의 바이폴라 전극 플레이트(3)를 갖는 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 구조를 도시하는 것을 이해할 수 있다. 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)이 물을 분해함으로써 생성되는 수소 및 산소의 양을 증가시키게 하기 위해, 도 12에 도시된 바와 같이, 도 12는 도 1의 연장 실시예이며, 즉, 도 1의 실시예에 제2 바이폴라 전극 플레이트(32)가 부가된다. 전술된 기술적 특성들에 기반하여, 제2 바이폴라 전극 플레이트(32)가 제1 바이폴라 전극 플레이트(31)와 캐소드 플레이트(2) 사이에 배치될 때, 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)가 제1 바이폴라 전극 플레이트(31)와 제2 바이폴라 전극 플레이트(32) 사이에 배치되고, 추가적인 하나의 제3 이온-교환 멤브레인 플레이트(43)가 제2 바이폴라 전극 플레이트(32)와 캐소드 플레이트(2) 사이에 배치되는 것이 추론될 수 있다. 부가하여, 제3 산소 챔버(도면에 도시되지 않음)가 제2 바이폴라 전극 플레이트(32)의 애노드 표면(302)에 인접하고, 제3 수소 챔버가 제2 바이폴라 전극 플레이트(32)의 캐소드 표면(301)에 인접하다. 도 2 및 도 7을 함께 참조한다. 제3 산소 챔버는 산소 유출구 채널(Z2)을 통해 제1 산소 챔버(Z61) 및 제2 산소 챔버(Z62)와 연통하며, 제3 수소 챔버는 수소 유출구 채널(Z1)을 통해 제1 수소 챔버(Z51) 및 제2 수소 챔버(Z52)와 연통한다. 바람직한 실시예에서, 제3 산소 챔버는 제1 수소 챔버(Z51), 제2 수소 챔버(Z52), 및 제3 수소 챔버와 유체가 흐르도록 연통되지 않으며, 제3 수소 챔버는 제1 산소 챔버(Z61), 제2 산소 챔버(Z62), 및 제3 산소 챔버와 유체가 흐르도록 연통되지 않는다.
확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 전극 플레이트의 홀들(11), 오목한 중심부들(13), 및 볼록한 주변부(12)의 협력 설계를 통해, 3개의 수소 챔버가 수소 유출구 채널(Z1)에 의해 서로 연통할 수 있고, 전기 분해 동안 수소 유출구 채널(Z1)로부터 수소를 출력할 수 있다. 부가하여, 3개의 산소 챔버들이 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)에 의해 서로 연통할 수 있고, 그에 따라, 전기 분해를 위해 물 유입구 채널(Z3)로부터 전기 분해 공간들(Z4)로 물이 입력되고, 전기 분해 동안 산소 유출구 채널(Z2)로부터 산소를 출력한다. 당업자가 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)에 적층되는 전극 플레이트들의 수를 이들 각각의 요건들에 따라 결정할 수 있고, 이에 제한되지는 않는다는 것이 이해될 수 있다.
여기서, 애노드 플레이트(1)의 하나의 표면은 볼록한 주변부(12) 및 오목한 중심부(13)를 갖는다. 애노드 플레이트(1)의 볼록한 주변부(12)가 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)와 적층될 때, 제1 산소 챔버(Z61)가 애노드 플레이트(1)의 오목한 중심부(13)에 형성된다. 볼록한 주변부(12)는, 적층될 때, 각각 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하기 위한 홀들(11)을 갖는다. 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하는 홀들(11)은 애노드 플레이트(1)의 오목한 중심부(13)와 연통한다. 캐소드 플레이트(2)의 하나의 표면은 또한, 볼록한 주변부(12) 및 오목한 중심부(13)를 갖는다. 캐소드 플레이트(2)의 볼록한 주변부(12)가 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 적층될 때, 캐소드 플레이트(2)의 오목한 중심부(13)에 제1 수소 챔버(Z51)가 형성되고, 캐소드 플레이트(2)의 오목한 중심부(13)는 수소 유출구 채널(Z1)과 연통한다. 제1 바이폴라 전극 플레이트(31)는 캐소드 표면(301) 및 애노드 표면(302)을 갖고, 캐소드 표면(301) 및 애노드 표면(302)은 각각, 볼록한 주변부(12) 및 오목한 중심부(13)를 갖는다. 캐소드 표면(301)의 볼록한 주변부(12)가 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41)와 적층될 때, 캐소드 표면(301)의 오목한 중심부(13)에 제2 수소 챔버(Z52)가 형성된다. 애노드 표면(302)의 볼록한 주변부(12)가 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 적층될 때, 애노드 표면(302)의 오목한 중심부(13)에 제2 산소 챔버(Z62)가 형성된다. 캐소드 표면(301) 및 애노드 표면(302)의 볼록한 주변부들(12)은 각각, 적층될 때, 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하기 위한 홀들(11)을 갖는다. 수소 유출구 채널(Z1)을 형성하는 홀들(11)은 캐소드 표면(301)의 오목한 중심부(13)와 연통한다. 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하는 홀들(11)은 애노드 표면(302)의 오목한 중심부(13)와 연통한다. 제2 바이폴라 전극 플레이트(32)는 또한, 캐소드 표면(301) 및 애노드 표면(302)을 갖고, 캐소드 표면(301) 및 애노드 표면(302)은 각각, 볼록한 주변부(12) 및 오목한 중심부(13)를 갖는다. 캐소드 표면(301)의 볼록한 주변부(12)가 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)와 적층될 때, 캐소드 표면(301)의 오목한 중심부(13)에 제3 수소 챔버가 형성된다. 애노드 표면(302)의 볼록한 주변부(12)가 제3 이온-교환 멤브레인 플레이트(43)와 적층될 때, 애노드 표면(302)의 오목한 중심부(13)에 제3 산소 챔버가 형성된다. 캐소드 표면(301) 및 애노드 표면(302)의 볼록한 주변부들(12)은 각각, 적층될 때, 수소 유출구 채널(Z1), 산소 유출구 채널(Z2), 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하기 위한 홀들(11)을 갖는다. 수소 유출구 채널(Z1)을 형성하는 홀들(11)은 캐소드 표면(301)의 오목한 중심부(13)와 연통한다. 산소 유출구 채널(Z2) 및 물 유입구 채널(Z3)을 형성하는 홀들(11)은 애노드 표면(302)의 오목한 중심부(13)와 연통한다.
부가하여, 도 12에 도시된 특정 실시예에서의 기술적 특성들은 위에서 설명된 기술적 특성들과 동일하다. 도 12는 도 1의 연장 실시예이다. 따라서, 기술적 특성들은 전술된 기술적 특성들을 유추하여 추론될 수 있으며, 여기서는 반복되지 않을 것이다.
종래 기술과 비교할 때, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 제1 바이폴라 전극 플레이트(31), 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트(41), 및 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트(42)는 독립적인 플레이트들이다. 전기 분해 후에 칼슘 축적 문제가 발생할 때, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은 세정을 위해 해체될 수 있다. 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 임의의 파트가 심하게 손상될 때에도, 손상된 플레이트는, 다수의 컴포넌트들 또는 전체 전기 분해를 교체하는 의도로, 새로운 플레이트로 직접 교체될 수 있다. 부가하여, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 및 바이폴라 전극 플레이트(3)는 모두, 전기 분해 셀이 동작하는 것을 방해하는 불안정적인 설치의 문제가 없는, 일체로 형성된 전극 플레이트들일 수 있다. 애노드 플레이트(1)와 캐소드 플레이트(2)가 스태거되는 것을 요구하는 종래의 전기 분해 셀과 비교할 때, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은 제1 바이폴라 전극 플레이트(31)를 사용하여, 각각의 전극 플레이트가 전류와 연통하도록 요구하는 구성을 제거하고, 또한, 다수의 전극 플레이트들이 양의 콘택들 및 음의 콘택들과 연결되는 것에 의해 야기되는 종래의 전기 분해 셀의 문제를 제거한다. 이러한 방식으로, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E) 내의 전극 플레이트들의 수가 종래의 전기 분해 셀의 전극 플레이트들의 수보다 더 적고, 그에 의해, 조립된 후의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)의 부피 및 비용들이 절약된다.
부가하여, 본 발명의 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은, 유동을 가이딩하기 위해 선형 밀봉 개스킷을 사용하는 종래의 전기 분해 셀 대신에, 애노드 플레이트(1), 캐소드 플레이트(2), 및 바이폴라 전극 플레이트(3) 자체의 구조적 설계를 사용하여 물 및 가스의 유동을 가이딩한다. 따라서, 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀(E)은, 밀봉 개스킷의 노후 또는 선형 밀봉 개스킷으로 인해 종래의 전기 분해 셀이 오정렬되는 문제를 제거한다.
위에서 언급된 예들 및 설명들로, 본 발명의 특징들 및 사상들이 잘 설명되었기를 바란다. 더욱 중요하게는, 본 발명은 본원에서 설명된 실시예로 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 교시들을 유지하면서 셀의 다수의 변형들 및 변경들이 이루어질 수 있음을 쉽게 알아챌 것이다. 따라서, 위의 설명은 첨부 청구항들의 범위 및 경계에 의해서만 제한되는 것으로 해석되어야 한다.
Claims (8)
- 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀로서,
애노드 플레이트;
캐소드 플레이트;
상기 애노드 플레이트와 상기 캐소드 플레이트 사이에 배치된 제1 바이폴라 전극 플레이트;
상기 애노드 플레이트와 상기 제1 바이폴라 전극 플레이트 사이에 수용될 수 있는 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트;
상기 캐소드 플레이트와 상기 제1 바이폴라 전극 플레이트 사이에 수용될 수 있는 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트;
상기 제1 이온-교환 멤브레인 플레이트 또는 상기 제2 이온-교환 멤브레인 플레이트로 각각 부착되는 복수의 디퓨저 플레이트들;
상기 애노드 플레이트에 인접한 제1 산소 챔버;
상기 캐소드 플레이트에 인접한 제1 수소 챔버;
상기 제1 바이폴라 전극 플레이트의 애노드 표면에 인접한 제2 산소 챔버;
상기 제1 바이폴라 전극 플레이트의 캐소드 표면에 인접한 제2 수소 챔버; 및
상기 애노드 플레이트의 상기 캐소드 플레이트를 향하는 면의 반대면에 배치되고, 상기 캐소드 플레이트의 상기 애노드 플레이트를 향하는 면의 반대면에 배치되고, 상기 확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀 내의 열 에너지를 외부 환경으로 소산시키도록 구성되고, 복수의 핀들을 포함하는 적어도 하나의 복사 플레이트;
를 포함하며,
상기 제1 산소 챔버 및 상기 제2 산소 챔버에 산소 유출구 채널이 커플링되고, 상기 제1 수소 챔버 및 상기 제2 수소 챔버에 수소 유출구 채널이 커플링되는,
확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀. - 제1항에 있어서,
상기 제1 산소 챔버는 상기 제1 수소 챔버 및 상기 제2 수소 챔버에 유체가 흐르도록 연결되지 않으며, 상기 제2 산소 챔버는 상기 제1 수소 챔버 및 상기 제2 수소 챔버에 유체가 흐르도록 연결되지 않는,
확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀. - 제1항에 있어서,
상기 산소 유출구 채널은 적어도 상기 애노드 플레이트로부터 상기 캐소드 플레이트까지 연장되며, 상기 수소 유출구 채널은 적어도 상기 애노드 플레이트로부터 상기 캐소드 플레이트까지 연장되는,
확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀. - 제3항에 있어서,
상기 애노드 플레이트 및 상기 캐소드 플레이트는 각각,
제1 오목한 중심부;
상기 제1 오목한 중심부에 배치된 복수의 제1 범프들; 및
상기 제1 범프들 사이에 배치된 복수의 제1 그루브들;
을 포함하며,
상기 제1 산소 챔버는 상기 애노드 플레이트의 상기 제1 그루브들을 포함하고, 상기 애노드 플레이트의 상기 제1 그루브들은 상기 산소 유출구 채널에 커플링되며; 상기 제1 수소 챔버는 상기 캐소드 플레이트의 상기 제1 그루브들을 포함하고, 상기 캐소드 플레이트의 상기 제1 그루브들은 상기 수소 유출구 채널에 커플링되는,
확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀. - 제4항에 있어서,
상기 제1 바이폴라 전극 플레이트의 상기 애노드 표면 및 상기 캐소드 표면은 각각,
제2 오목한 중심부;
상기 제2 오목한 중심부에 배치된 복수의 제2 범프들; 및
상기 제2 범프들 사이에 배치된 복수의 제2 그루브들;
을 포함하며,
상기 제2 산소 챔버는 상기 애노드 표면의 상기 제2 그루브들을 포함하고, 상기 애노드 표면의 상기 제2 그루브들은 상기 산소 유출구 채널에 커플링되며; 상기 제2 수소 챔버는 상기 캐소드 표면의 상기 제2 그루브들을 포함하고, 상기 캐소드 표면의 상기 제2 그루브들은 상기 수소 유출구 채널에 커플링되는,
확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀. - 제3항에 있어서,
산소 도관 및 수소 도관을 더 포함하며,
상기 산소 유출구 채널은 상기 캐소드 플레이트 또는 상기 애노드 플레이트를 통과하고, 상기 산소 도관에 커플링되며, 상기 수소 유출구 채널은 상기 캐소드 플레이트 또는 상기 애노드 플레이트를 통과하고, 상기 수소 도관에 커플링되는,
확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀. - 제6항에 있어서,
상기 애노드 플레이트와 상기 캐소드 플레이트 사이에 배치된 제2 바이폴라 전극 플레이트;
상기 제2 바이폴라 전극 플레이트의 애노드 표면에 인접한 제3 산소 챔버; 및
상기 제2 바이폴라 전극 플레이트의 캐소드 표면에 인접한 제3 수소 챔버;
를 더 포함하며,
상기 산소 유출구 채널은 상기 제1 산소 챔버, 상기 제2 산소 챔버, 및 상기 제3 산소 챔버에 커플링되고, 상기 수소 유출구 채널은 상기 제1 수소 챔버, 상기 제2 수소 챔버, 및 상기 제3 수소 챔버에 커플링되는,
확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀. - 제7항에 있어서,
상기 제3 산소 챔버는 상기 제1 수소 챔버, 상기 제2 수소 챔버, 및 상기 제3 수소 챔버에 유체가 흐르도록 연결되지 않으며; 상기 제3 수소 챔버는 상기 제1 산소 챔버, 상기 제2 산소 챔버, 및 상기 제3 산소 챔버에 유체가 흐르도록 연결되지 않는,
확장 이온-교환 멤브레인 전기 분해 셀.
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