KR20240003309A - 전기분해 셀 및 이를 포함하는 전기분해 셀 스택 - Google Patents

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KR20240003309A
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김태근
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 전기분해 셀은, 전해질막의 양면에 애노드 및 캐소드가 구비된 막-전극 접합체; 상기 애노드에 적층되는 제1분리판; 상기 제1분리판에 형성되고 상기 애노드를 향해 개방된 제1유로; 상기 캐소드에 적층되는 제2분리판; 및 상기 제2분리판에 형성되고 상기 캐소드를 향해 개방된 제2유로를 포함할 수 있다. 상기 제1유로의 깊이는 상기 제1유로 내의 용액의 유동 방향으로 갈수록 증가할 수 있다.

Description

전기분해 셀 및 이를 포함하는 전기분해 셀 스택{ELECTROLYTIC CELL AND ELECTROLYTIC CELL STACK INCLUDING THE SAME}
본 발명은, 반응 기체를 전기화학적으로 분해하는 전기분해 셀 및 이를 포함하는 전기분해 셀 스택에 관한 것이다.
현재 이산화탄소는 지구 온난화를 일으키는 온실 가스로서 감축시켜야 하는 대상이다. 이산화탄소를 감축시키는 방법으로 포집이나 화학적 전환 혹은 전기화학적 전환이 이뤄진다. 이 중 전기화학적 전환방법은 다른 합성 기체를 제조할 수 있도록 성분을 정밀하게 조절할 수 있어 단순히 이산화탄소를 제거하는 것보다 경제적인 이득을 얻을 수 있다.
일반적으로 전기분해 셀은 캐소드와 애노드 및 전해질을 포함한다. 애노드 전극에 물(H2O)을 공급하면 산소가 발생하며, 수소(H2)는 전자(e-)와 수소이온(H+)으로 분해되고, 전자(e-)는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동한다. 상기 전자(e-)는 캐소드 전극에 공급된 이산화탄소(CO2) 및 수분(H2O)과 반응하여 일산화탄소(CO)와 수산화 이온(OH-)이 발생하게 된다. 그리고, 애노드에서 발생한 수소이온(H+)과 캐소드에서 발생한 수산화 이온(OH-)은 캐소드와 애노드 사이의 교환막을 통해 서로 만나 물을 생성하며 전기적으로 중화(charge neutralization)될 수 있다.
즉, 전기분해 셀의 전체 반응(Overall Reaction)은, 이산화탄소(CO2)가 일산화 탄소(CO)와 물(H2O)로 분해될 수 있다.
다만 이산화탄소를 분해하는 전기분해 셀은 구동 전압이 높다는 단점이 있다. 따라서, 구동 전압을 낮추고 전기 효율을 극대화하기 위해서는 구성요소들의 촉매를 개발하는 것과 더불어, 최적화된 셀의 구조와 스택 구조를 설계하는 것이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는, 효율이 극대화되는 전기분해 셀 및 이를 포함하는 전기분해 셀 스택을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전기분해 셀은, 전해질막의 양면에 애노드 및 캐소드가 구비된 막-전극 접합체; 상기 애노드에 적층되는 제1분리판; 상기 제1분리판에 형성되고 상기 애노드를 향해 개방된 제1유로; 상기 캐소드에 적층되는 제2분리판; 및 상기 제2분리판에 형성되고 상기 캐소드를 향해 개방된 제2유로를 포함할 수 있다. 상기 제1유로의 깊이는 상기 제1유로 내의 용액의 유동 방향으로 갈수록 증가할 수 있다.
상기 제1유로의 깊이는 점진적으로 증가할 수 있다.
상기 제2유로의 길이는 상기 제1유로의 길이보다 길 수 있다.
상기 제2유로를 흐르는 유체의 유속은 상기 제1유로를 흐르는 유체의 유속보다 빠를 수 있다.
상기 제2유로를 흐르는 유체의 체적 유량은 상기 제1유로를 흐르는 유체의 체적 유량보다 많을 수 있다.
상기 제1유로는 패러렐(parallel) 형상을 이루는 복수개의 제1채널을 포함하고, 상기 제2유로는, 서펜타인(serpentine) 형상을 이루는 복수개의 제2채널을 포함할 수 있다.
상기 복수개의 제1채널의 개수는, 상기 복수개의 제2채널의 개수보다 많을 수 있다.
상기 제1유로는 상기 애노드와 접촉하는 리브에 의해 복수개의 채널로 구획되고, 상기 리브는, 상기 제1유로 내의 용액의 유동 방향으로 갈수록 높이가 증가할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 전기분해 셀 스택은, 서로 적층된 복수개의 전기분해 셀을 포함할 수 있다. 상기 복수개의 전기분해 셀은, 전해질막의 양면에 애노드 및 캐소드가 구비된 막-전극 접합체; 상기 애노드에 적층되는 제1분리판; 상기 제1분리판에 형성되고 상기 애노드를 향해 개방된 제1유로; 상기 캐소드에 적층되는 제2분리판; 및 상기 제2분리판에 형성되고 상기 캐소드를 향해 개방된 제2유로를 포함할 수 있다. 상기 제1유로의 깊이는 상기 제1유로 내의 용액의 유동 방향으로 갈수록 증가할 수 있다.
상기 전기분해 셀 스택은, 상기 복수개의 전기분해 셀의 상기 제1유로를 서로 연통시키는 제1연결 유로; 및 상기 복수개의 전기분해 셀의 상기 제2유로를 서로 연통시키는 제2연결 유로를 더 포함할 수 있다.
상기 복수개의 전기분해 셀은, 상기 애노드의 둘레에 위치하고 상기 제1분리판의 비활성 영역을 마주보며 상기 제1연결 유로가 관통하는 제1가스켓; 및 상기 캐소드의 둘레에 위치하고 상기 제2분리판의 비활성 영역을 마주보며 상기 제2연결 유로가 관통하는 제2가스켓을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1유로의 깊이가 전해질 용액의 유동 방향으로 갈수록 증가하므로 제1유로의 단면적이 증가할 수 있다. 따라서, 제1유로의 후방으로 갈수록 전해질 용액 내의 증가한 버블에 의해 전해질 용액과 애노드 사이의 반응 계면이 줄어드는 것을 최소화할 수 있다. 이로써, 전기분해 셀의 효율이 극대화될 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성들로부터 당업자가 용이하게 예측 가능한 효과들을 포함할 수 있다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술되는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 셀의 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 셀을 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제1분리판의 평면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 제2분리판의 저면도이다.
도 5는 비교예에 따른 제1분리판의 평면도이다
도 6a 및 도 6b는 비교예에 따른 제2분리판의 저면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1유로를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기분해 셀 스택을 모식적으로 도시한 단면도이다.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분 또는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하였으며, 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서는, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일 또는 유사한 참조 부호를 붙이도록 한다
또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 셀의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 셀을 모식적으로 도시한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 셀(100)은, 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly;MEA)(110), 제1분리판(120) 및 제2분리판(130)을 포함할 수 있다. 전기분해 셀(100)은 제1가스켓(140) 및 제2가스켓(150)을 더 포함할 수 있다.
막-전극 접합체(110)는, 전해질막(111), 애노드(112) 및 캐소드(113)를 포함할 수 있다. 전해질막(111)은 고분자 전해질 막일 수 있으며, 예를 들어 이온 교환막일 수 있다. 애노드(112) 및 캐소드(113)는 전해질막(111)의 양면에 구비될 수 있다. 좀 더 상세히, 전해질막(111)의 일면(예를 들어, 저면)에는 애노드(112)가 적층될 수 있고, 타면(예를 들어, 상면)에는 캐소드(113)가 적층될 수 있다.
애노드(112) 및 캐소드(113)는 가스 확산층을 포함할 수 있다. 상기 가스 확산층은 다공성 섬유(porous cloth), 다공성 종이(porous paper), 그물(mesh), 거품(foam) 등과 같은 다공성 구조를 가질 수 있으며, 카본, 티타늄, 니켈, 금, 은 등과 같은 재질을 가질 수 있다.
제1분리판(120) 및 제2분리판(130)은 막-전극 접합체(110)를 사이에 두고 서로 반대편에 적층될 수 있다. 좀 더 상세히, 제1분리판(120)은 애노드(112)에 적층될 수 있고, 제2분리판(130)은 캐소드(113)에 적층될 수 있다.
제1분리판(120)에는, 애노드(112)를 향해 개방된 제1유로(121)가 형성될 수 있다. 제1유로(121)는 애노드(112)에 전해질용액을 공급할 수 있다.
제2분리판(130)에는, 캐소드(113)를 향해 개방된 제2유로(131)가 형성될 수 있다. 제2유로(131)는 캐소드(113)에 반응 기체(예를 들어, 이산화탄소)를 공급할 수 있다. 상기 반응 기체는 캐소드 전해질 용액과 혼합되어 공급되는 것도 가능하다.
제1분리판(120)은 애노드(112)를 마주보는 활성 영역(A1)과, 활성 영역(A1)의 외측에 위치한 비활성 영역을 포함할 수 있다. 제1분리판(120)의 활성 영역(A1)과 애노드(112)는 서로 동일하거나 유사한 면적을 가질 수 있다. 제1분리판(120)의 활성 영역(A1)에는 제1유로(121)가 형성될 수 있다. 따라서, 제1유로(121)로 공급된 애노드 전해질 용액(예를 들어, KOH 수용액)은 애노드(112)로 공급될 수 있고, 애노드(112)에서 발생한 생성 기체(예를 들어, 산소)는 제1유로(121)로 배출될 수 있다.
제1분리판(120), 좀 더 상세히는 제1분리판(120)의 비활성 영역에는 인렛(122)과, 아웃렛(123)과, 인렛 유로(124)와, 아웃렛 유로(125)가 형성될 수 있다.
인렛(122) 및 아웃렛(123)은 제1분리판(120)에 관통 형성될 수 있다. 인렛(122)에는 애노드 전해질 용액(예를 들어, KOH 수용액)이 유입될 수 있고, 아웃렛(123)에는 생성 기체(예를 들어, 산소)가 미반응 전해질 용액과 함께 유출될 수 있다. 인렛 유로(124)는 인렛(122)과 제1유로(121)를 연결할 수 있고, 아웃렛 유로(125)는 제1유로(121)와 아웃렛(125)을 연결할 수 있다.
따라서, 제1분리판(120)의 인렛(122)으로 유입된 애노드 전해질 용액(예를 들어, KOH 수용액)은 인렛 유로(124)를 통해 제1유로(121)로 흐르고 애노드(112)에서 반응할 수 있다. 애노드(112)에서 발생한 생성 기체(예를 들어, 산소)는 제1유로(121)로 배출되고, 미반응 전해질 용액과 함께 아웃렛 유로(125)를 통해 아웃렛(123)으로 배출될 수 있다.
제2분리판(130)은 캐소드(113)를 마주보는 활성 영역(A2)과, 활성 영역(A2)의 외측에 위치한 비활성 영역을 포함할 수 있다. 제2분리판(130)의 활성 영역(A2)과 캐소드(113)는 서로 동일하거나 유사한 면적을 가질 수 있다. 제2분리판(130)의 활성 영역(A2)에는 제2유로(131)가 형성될 수 있다. 따라서, 제2유로(131)로 공급된 반응 기체는 캐소드(113)로 공급될 수 있고, 캐소드(113)에서 발생한 생성 기체(예를 들어, 일산화탄소 및 수소)는 제2유로(131)로 배출될 수 있다.
제2분리판(130), 좀 더 상세히는 제2분리판(130)의 비활성 영역에는 인렛(132)과, 아웃렛(133)과, 인렛 유로(134)와, 아웃렛 유로(135)가 형성될 수 있다.
인렛(132) 및 아웃렛(133)은 제2분리판(130)에 관통 형성될 수 있다. 인렛(132)에는 반응 기체가 수분과 함께 유입될 수 있고, 아웃렛(133)에는 생성 기체(예를 들어, 일산화탄소 및 수소)가 유출될 수 있다. 인렛 유로(134)는 인렛(132)과 제2유로(131)를 연결할 수 있고, 아웃렛 유로(135)는 제2유로(131)와 아웃렛(135)을 연결할 수 있다.
따라서, 제2분리판(130)의 인렛(132)으로 유입된 반응 기체 및 수분은 인렛 유로(134)를 통해 제2유로(131)로 흐르고 캐소드(113)에서 반응할 수 있다. 캐소드(113)에서 발생한 생성 기체(예를 들어, 일산화탄소 및 수소)는 제2유로(131)로 배출되고, 미반응 반응 기체와 함께 아웃렛 유로(135)를 통해 아웃렛(133)으로 배출될 수 있다.
한편, 제1가스켓(140)은 막-전극 조립체(110)와 제1분리판(120) 사이를 실링할 수 있다. 제1가스켓(140)은, 애노드(112)의 둘레에 위치하고 제1분리판(120)의 비활성 영역을 마주볼 수 있다.
제2가스켓(150)은 막-전극 조립체(110)와 제2분리판(130) 사이를 실링할 수 있다. 제2가스켓(150)은, 캐소드(113)의 둘레에 위치하고 제2분리판(130)의 비활성 영역을 마주볼 수 있다.
제1가스켓(140) 및 제2가스켓(150)은 대략 사각 고리 형상일 수 있다
도 3은 도 1에 도시된 제1분리판의 평면도이고, 도 4는 도 1에 도시된 제2분리판의 저면도이다.
제2분리판(130)의 제2유로(131)의 길이는 제1분리판(120)의 제1유로(121)의 길이보다 길 수 있다. 좀 더 상세히, 제1유로(121)는 직선 형상을 가질 수 있고, 제2유로(131)는 서펜타인(serpentine) 형상을 가질 수 있다.
따라서, 동일한 활성 영역(A2) 내에서, 제2유로(131)의 반응 기체는 캐소드(113), 좀 더 상세히는 캐소드(113)의 가스 확산층에 더 오래 머물 수 있다. 이로써 분해 대상인 반응 기체(예를 들어, 이산화탄소)의 반응 효율이 향상될 수 있다.
또한, 제2유로(131)를 흐르는 유체의 유속은 제1유로(121)를 흐르는 유체의 유속보다 빠를 수 있다. 또한, 제2유로(131)를 흐르는 유체의 체적 유량은 제1유로(121)를 흐르는 유체의 체적 유량보다 많을 수 있다. 이로써 분해 대상인 반응 기체(예를 들어, 이산화탄소)의 반응 효율이 더욱 향상될 수 있다.
좀 더 상세히, 제1유로(121)는 패러렐(parallel) 형상을 이루는 복수개의 제1채널(121a)을 포함할 수 있고, 제2유로(131)는 서펜타인(serpentine) 형상을 이루는 복수개의 제2채널(131a)을 포함할 수 있다.
좀 더 상세히, 제1유로(121)는 애노드(112)와 접촉하는 리브(126)에 의해 복수개의 제1채널(121a)로 구획될 수 있고, 제2유로(131)는 캐소드(113)와 접촉하는 리브(136)에 의해 복수개의 제2채널(131a)로 구획될 수 있다.
이처럼 각 유로(121)(131)가 리브(126)(136)에 의해 복수개의 채널(121a)(131a)로 구획됨으로써, 각 채널(121a)(131a)의 단면적을 용이하게 설계할 수 있고, 각 채널(121a)(131a)을 흐르는 유체의 유속 및 체적 유량을 정밀하게 조절할 수 있다.
각 제1채널(121a)과 제2채널(131a)의 단면적은 동일하거나 유사할 수 있다. 제1채널(121a)과 제2채널(131a)의 형상 차이를 고려하면, 복수개의 제1채널(121a)의 개수는 복수개의 제2채널(131a)의 개수보다 많을 수 있다.
각 분리판(120)(130)의 인렛 유로(124)(134) 및 아웃렛 유로(134)(135)는 복수개의 채널 및 구조물이 조합되어 이루어질 수 있으며, 이는 당업자가 적절하게 설계할 수 있다.
도 5는 비교예에 따른 제1분리판의 평면도이고, 도 6a 및 도 6b는 비교예에 따른 제2분리판의 저면도이다.
도 5를 참조하면, 비교예에 따른 제1분리판(120')의 제1유로(121')는 플랫(flat) 타입일 수 있다. 즉, 상기 제1유로(121')는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제1유로(121)와 달리, 리브(126)가 구비되지 않고 패러렐 타입의 복수개의 제1채널(121a)로 구획되지 않을 수 있다.
도 6a 및 도 6b을 참조하면, 비교예에 따른 제2분리판(130', 130")의 제2유로(131', 131")는 패러렐 타입일 수 있다. 즉, 상기 제2유로(131', 131")는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2유로(131)와 달리, 패러렐 형상을 이루는 복수개의 채널을 포함할 수 있다.
이하, 제1분리판과 제2분리판의 조합에 따른 실험예에 대해 설명한다.
비교예에 따른 제1분리판(도 5)은 85.1mm*120mm의 활성 면적을 가지며, 제1유로는 단일의 채널을 이룬다. CFD 시뮬레이션 해석에서, 1M KOH수용액이 200ml/min로 투입되면 유속은 0.0096m/s이고, 압력 손실은 19.51kPa 이다.
실시예에 따른 제1분리판(도 3)은 87mm*117.8mm의 활성 면적을 가지고, 제1유로는 1.5mm*0.5mm의 단면적을 갖는 39개의 제1채널을 포함할 수 있다. CFD 시뮬레이션 해석에서, 1M KOH수용액이 200ml/min로 투입되면 유속은 0.112m/s이고, 압력 손실은 1.95kPa 이다.
제1비교예에 따른 제2분리판(도 6a)은 85.1mm*120mm의 활성 면적을 가지고, 제2유로는 1.1mm*0.5mm의 단면적을 갖는 41개의 제2채널을 포함할 수 있다. CFD 시뮬레이션 해석에서, 이산화탄소가 800 sccm로 투입되면 유속은 0.58m/s이고, 압력 손실은 0.28kPa 이다.
제2비교예에 따른 제2분리판(도 6b)은 87mm*117.8mm의 활성 면적을 가지고, 제2유로는 1.5mm*0.5mm의 단면적을 갖는 39개의 제2채널을 포함할 수 있다. CFD 시뮬레이션 해석에서, 이산화탄소가 800 sccm로 투입되면 유속은 0.45m/s이고, 압력 손실은 0.00648kPa 이다.
실시예에 따른 제2분리판(도 4)은 88.25mm*118.3mm의 활성 면적을 가지고, 제2유로는 1.5mm*0.5mm의 단면적을 갖는 3개의 제2채널을 포함할 수 있다. CFD 시뮬레이션 해석에서, 이산화탄소가 800 sccm로 투입되면 유속은 4.37m/s이고, 압력 손실은 1.95kPa 이다.
제1비교예에 따른 제2분리판(도 6a) 제2비교예에 따른 제2분리판(도 6b) 실시예에 따른 제2분리판(도 4)
비교예에 따른 제1분리판(도 5) 전류밀도(mA/cm2) FE(%) 전환율(%) 전류밀도(mA/cm2) FE(%) 전환율(%) 전류밀도(mA/cm2) FE(%) 전환율(%)
100 93.2 9.0 100 96.9 9.4 100 98.8 9.5
200 92.2 17.8 200 78.4 15.2 200 91.6 17.7
300 90.0 26.1 300 80.2 23.2 300 93.5 27.1
실시예에 따른 제1분리판(도 3) 전류밀도(mA/cm2) FE(%) 전환율(%) 전류밀도(mA/cm2) FE(%) 전환율(%) 전류밀도(mA/cm2) FE(%) 전환율(%)
100 97.8 9.44 100 93.0 8.9 100 100 9.7
200 92.4 17.84 200 81.5 15.6 200 95.6 18.5
300 81.5 23.60 300 86.7 24.9 300 93.0 26.9
상기 [표 1]은 제1분리판과 제2분리판의 조합을 달리한 실험예들의 전기분해 성능 결과를 기재한 것이다. FE(Faraday Efficiency)는 가해진 전류에서 생성 기체(일산화탄소)를 생성하는데 사용된 전류의 비율을 의미하고, 전환율은 투입된 반응기체(이산화탄소) 중 생성기체(일산화탄소)로 전환된 비율을 의미한다. FE 및 전환율이 높을수록 전기분해 셀의 효율이 좋음을 의미할 수 있다.
[표 1]에 표시된 6개의 실험예 중 본 발명의 실시에에 따른 제1분리판(도 3)과 제2분리판(도 4)의 조합이, 각 전류밀도에서 FE 및 전환율이 가장 높음을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기분해 셀(100)의 효율이 극대화됨을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1유로를 모식적으로 도시한 도면이다.
제1분리판(120)의 제1유로(121)의 깊이는, 제1유로(121) 내의 용액의 유동 방향으로 갈수록 증가할 수 있다. 즉, 제1유로(121)의 아웃렛 유로(125) 측 깊이(d2)는, 제1유로(121)의 인렛 유로(124) 측 깊이(d1)보다 클 수 있다.
예를 들어, 제1유로(121)의 깊이는 점진적으로 증가할 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 제1유로(121)의 깊이가 계단식으로 증가하는 것도 가능할 것이다.
좀 더 상세히, 제1유로(121)를 복수개의 제1채널(121a)로 구획하는 리브(126)는, 제1유로(121) 내의 용액의 유동 방향으로 갈수록 높이가 증가할 수 있다. 리브(126)의 단부는 애노드(112)에 접촉하므로, 제1유로(121)의 깊이가 깊어지면 그에 따라 리브(126)의 높이가 증가함이 바람직하다.
이와 관련하여, 애노드 전해질 용액(예를 들어, KOH 수용액)은 제1유로(121)를 지나며 애노드(112)에서 반응하여 발생한 생성 기체(예를 들어, 산소)는, 전해질 용액 내에 버블 형태로 혼합될 수 있다. 따라서, 제1유로(121)의 후방으로 갈수록 전해질 용액 내의 버블이 증가하게 되고, 그 결과 전해질 용액과 애노드 사이의 반응 계면이 줄어들 우려가 있다. 제1유로(121)의 깊이가 전해질 용액의 유동 방향으로 갈수록 증가하면 제1유로(121)의 단면적이 증가하므로 반응 계면의 감소를 보상해주는 효과를 가질 수 있다. 이로써, 애노드(112)에서의 반응 효율이 높게 유지될 수 있다.
마찬가지로, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 제2분리판(130)의 제2유로(131)의 깊이는, 제2유로(131) 내의 용액의 유동 방향으로 갈수록 증가할 수 있다. 이로써, 반응 기체(예를 들어, 이산화탄소)가 캐소드 전해질 용액에 혼합되어 공급되는 경우에, 생성 기체(예를 들어, 일산화탄소 및 산소)로 인한 버블에도 불구하고 애노드(112)에서의 반응 효율이 높게 유지될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기분해 셀 스택을 모식적으로 도시한 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기분해 셀 스택(10)은, 서로 적층된 복수개의 전기분해 셀(100)을 포함할 수 있다. 서로 적층된 복수개의 전기분해 셀(100)의 막-전극 접합체(110)는 전기적으로 직렬 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 전기분해 셀 스택(10)은 서로 적층된 제1전기분해 셀(100A)과 제2전기분해 셀(100B)을 포함할 수 있다.
전기분해 셀(100)에 대해서는 앞서 설명한 내용을 원용한다.
전기분해 셀 스택(10)은, 복수개의 전기분해 셀(100)의 제1유로(121)를 서로 연통시키는 제1연결 유로(160)와, 복수개의 전기분해 셀(100)의 제2유로(131)를 서로 연통시키는 제2연결 유로(170)를 더 포함할 수 있다.
각 연결 유로(160)(170)는, 복수개의 전기분해 셀(100)의 적층 방향(도 8 기준 상하 방향)과 나란하게 연장될 수 있다. 각 연결 유로(160)(170)는 각 분리판(120)(130)의 비활성 영역에 대응되게 위치할 수 있다.
각 연결 유로(160)(170)는, 전기분해 셀(100)의 제1가스켓(140) 및 제2가스켓(150)을 관통할 수 있다. 예를 들어, 제1연결 유로(160)는 제1전기분해 셀(100A)의 제1가스켓(140) 및 제2가스켓(150)을 관통할 수 있고, 제2연결 유로(170)는 제2전기분해 셀(100B)의 제1가스켓(140) 및 제2가스켓(150)을 관통할 수 있다.
제1연결 유로(160)는, 제1인렛 측 연결유로(161)와 제1아웃렛 측 연결유로(162)를 포함할 수 있다.
제1인렛 측 연결유로(161)는, 복수개의 전기분해 셀(100)의 제1분리판(120)의 인렛(122)끼리 연통시킬 수 있다. 또한, 제1인렛 측 연결유로(161)는 복수개의 전기분해 셀(100)의 제1분리판(120)의 인렛 유로(124)와도 연통될 수 있다.
예를 들어, 제1인렛 측 연결유로(161)는, 제1전기분해 셀(100A)의 제1분리판(120)의 인렛(122)과 제2전기분해 셀(100B)의 제1분리판(120)의 인렛(122)을 연통시킬 수 있다. 좀 더 상세히, 제1인렛 측 연결유로(161)는, 제1전기분해 셀(100A)의 제1가스켓(140), 제2가스켓(150) 및 제2분리판(130)을 순차적으로 관통하여 제2전기분해 셀(100B)의 제1분리판(120)의 인렛(122)과 연통될 수 있다.
제1아웃렛 측 연결유로(162)는, 복수개의 전기분해 셀(100)의 제1분리판(120)의 아웃렛(123)끼리 연통시킬 수 있다. 또한, 제1아웃렛 측 연결유로(162)는 복수개의 전기분해 셀(100)의 제1분리판(120)의 아웃렛 유로(125)와도 연통될 수 있다.
예를 들어, 제1아웃렛 측 연결유로(162)는, 제1전기분해 셀(100A)의 제1분리판(120)의 아웃렛(123)과 제2전기분해 셀(100B)의 제1분리판(120)의 아웃렛(123)을 연통시킬 수 있다. 좀 더 상세히, 제1아웃렛 측 연결유로(162)는, 제1전기분해 셀(100A)의 제1가스켓(140), 제2가스켓(150) 및 제2분리판(130)을 순차적으로 관통하여 제2전기분해 셀(100B)의 제1분리판(120)의 아웃렛(123)과 연통될 수 있다.
따라서, 전기분해 셀 스택(10)의 최외각에 위치한 제1분리판(120)의 인렛(122)으로 유입된 애노드 전해질 용액(예를 들어, KOH 수용액)은, 제1인렛 측 연결 유로(161)를 통해 복수개의 전기분해 셀(100)의 제1유로(121)로 나뉘어 유동될 수 있고 각 애노드(112)에서 반응할 수 있다. 각 애노드(112)에서 발생한 생성 기체(예를 들어, 산소)는, 미반응 전해질 용액과 함께, 제1아웃렛 측 연결 유로(162)를 통해 전기분해 셀 스택(10)의 최외각에 위치한 제1분리판(120)의 아웃렛(123)으로 배출될 수 있다.
제2연결 유로(170)는, 제2인렛 측 연결유로(171)와 제2아웃렛 측 연결유로(172)를 포함할 수 있다.
제2인렛 측 연결유로(171)는, 복수개의 전기분해 셀(100)의 제2분리판(130)의 인렛(132)끼리 연통시킬 수 있다. 또한, 제2인렛 측 연결유로(171)는 복수개의 전기분해 셀(100)의 제2분리판(130)의 인렛 유로(134)와도 연통될 수 있다.
예를 들어, 제2인렛 측 연결유로(171)는, 제2전기분해 셀(100B)의 제2분리판(130)의 인렛(132)과 제1전기분해 셀(100A)의 제2분리판(120)의 인렛(132)을 연통시킬 수 있다. 좀 더 상세히, 제2인렛 측 연결유로(171)는, 제2전기분해 셀(100B)의 제2가스켓(150), 제1가스켓(140) 및 제1분리판(120)을 순차적으로 관통하여 제1전기분해 셀(100A)의 제2분리판(130)의 인렛(132)과 연통될 수 있다.
제2아웃렛 측 연결유로(172)는, 복수개의 전기분해 셀(100)의 제2분리판(130)의 아웃렛(133)끼리 연통시킬 수 있다. 또한, 제2아웃렛 측 연결유로(172)는 복수개의 전기분해 셀(100)의 제2분리판(130)의 아웃렛 유로(135)와도 연통될 수 있다.
예를 들어, 제2아웃렛 측 연결유로(172)는, 제2전기분해 셀(100B)의 제2분리판(130)의 아웃렛(133)과 제1전기분해 셀(100A)의 제2분리판(130)의 아웃렛(133)을 연통시킬 수 있다. 좀 더 상세히, 제2아웃렛 측 연결유로(172)는, 제2전기분해 셀(100B)의 제2가스켓(150), 제1가스켓(140) 및 제1분리판(120)을 순차적으로 관통하여 제1전기분해 셀(100A)의 제2분리판(130)의 아웃렛(133)과 연통될 수 있다.
따라서, 전기분해 셀 스택(10)의 최외각에 위치한 제2분리판(130)의 인렛(132)으로 유입된 반응 기체(예를 들어, 이산화탄소)는, 제2인렛 측 연결 유로(171)를 통해 복수개의 전기분해 셀(100)의 제2유로(131)로 나뉘어 유동될 수 있고 각 캐소드(113)에서 반응할 수 있다. 각 캐소드(113)에서 발생한 생성 기체(예를 들어, 일산화탄소 및 수소)는, 제2아웃렛 측 연결 유로(172)를 통해 전기분해 셀 스택(10)의 최외각에 위치한 제2분리판(130)의 아웃렛(133)으로 배출될 수 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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 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: 전기분해 셀 스택 100: 전기분해 셀
110: 막-전극 조립체 111: 전해질막
112: 애노드 113: 캐소드
120: 제1분리판 121: 제1유로
130: 제2분리판 131: 제2유로
140: 제1가스켓 150: 제2가스켓
160: 제1연결 유로 161: 제1인렛 측 연결 유로
162: 제1아웃렛 측 연결 유로 170: 제2연결 유로
171: 제2인렛 측 연결 유로 172: 제2아웃렛 측 연결 유로

Claims (11)

  1. 전해질막의 양면에 애노드 및 캐소드가 구비된 막-전극 접합체;
    상기 애노드에 적층되는 제1분리판;
    상기 제1분리판에 형성되고 상기 애노드를 향해 개방된 제1유로;
    상기 캐소드에 적층되는 제2분리판; 및
    상기 제2분리판에 형성되고 상기 캐소드를 향해 개방된 제2유로를 포함하고,
    상기 제1유로의 깊이는 상기 제1유로 내의 용액의 유동 방향으로 갈수록 증가하는 전기분해 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1유로의 깊이는 점진적으로 증가하는 전기분해 셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2유로의 길이는 상기 제1유로의 길이보다 긴 전기분해 셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2유로를 흐르는 유체의 유속은 상기 제1유로를 흐르는 유체의 유속보다 빠른 전기분해 셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2유로를 흐르는 유체의 체적 유량은 상기 제1유로를 흐르는 유체의 체적 유량보다 많은 전기분해 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1유로는 패러렐(parallel) 형상을 이루는 복수개의 제1채널을 포함하고,
    상기 제2유로는, 서펜타인(serpentine) 형상을 이루는 복수개의 제2채널을 포함하는 전기분해 셀.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 복수개의 제1채널의 개수는, 상기 복수개의 제2채널의 개수보다 많은 전기분해 셀.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1유로는 상기 애노드와 접촉하는 리브에 의해 복수개의 채널로 구획되고,
    상기 리브는, 상기 제1유로 내의 용액의 유동 방향으로 갈수록 높이가 증가하는 전기분해 셀.
  9. 서로 적층된 복수개의 전기분해 셀을 포함하고,
    상기 복수개의 전기분해 셀은,
    전해질막의 양면에 애노드 및 캐소드가 구비된 막-전극 접합체;
    상기 애노드에 적층되는 제1분리판;
    상기 제1분리판에 형성되고 상기 애노드를 향해 개방된 제1유로;
    상기 캐소드에 적층되는 제2분리판; 및
    상기 제2분리판에 형성되고 상기 캐소드를 향해 개방된 제2유로를 포함하고,
    상기 제1유로의 깊이는 상기 제1유로 내의 용액의 유동 방향으로 갈수록 증가하는 전기분해 셀 스택.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수개의 전기분해 셀의 상기 제1유로를 서로 연통시키는 제1연결 유로; 및
    상기 복수개의 전기분해 셀의 상기 제2유로를 서로 연통시키는 제2연결 유로를 더 포함하는 전기분해 셀 스택.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수개의 전기분해 셀은,
    상기 애노드의 둘레에 위치하고 상기 제1분리판의 비활성 영역을 마주보며 상기 제1연결 유로가 관통하는 제1가스켓; 및
    상기 캐소드의 둘레에 위치하고 상기 제2분리판의 비활성 영역을 마주보며 상기 제2연결 유로가 관통하는 제2가스켓을 더 포함하는 전기분해 셀 스택.
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