KR20240076578A - 바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 수전해 장치 - Google Patents

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Abstract

유로 내의 차압을 감소시킬 수 있는 유로 형상을 구비하여 반응 생성물인 산소의 제거 능력 및 반응물 공급 능력을 향상시킬 수 있는 바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 수전해 장치가 개시된다.
개시된 바이폴라 플레이트는,
바디 플레이트; 상기 바디 플레이트의 일측에서 중심 방향으로 연장되어, 상기 바디 플레이트의 중심에 형성된 유입구; 상기 바디 플레이트의 타측에 형성된 유출구; 및, 상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 사행 유로;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트에 있어서, 상기 유입구는, 상기 바디 플레이트의 일측에서 중심 방향으로 연장 형성된 도입 유로를 포함한다.

Description

바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 수전해 장치 {Bipolar plate and water electrolysis device comprising it}
본 발명은 유로 내의 차압을 감소시킬 수 있는 유로 형상을 구비하여 반응 생성물인 산소의 제거 능력 및 반응물 공급 능력을 향상시킬 수 있는 바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 수전해 장치에 관한 것이다.
화석 연료 사용으로 인한 환경 오염문제로 인하여 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히 수소는 연료전지의 연료로서, 온실가스가 발생하지 않는 청정 에너지원이며, 화석 연료를 대체할 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
다양한 수소 생성 방법 중에서 물의 전기분해 반응(수전해 반응)에 의한 수소 생성 방법은 물을 산소 가스 및 수소 가스로 분리 또는 해리함으로써 산소 가스 및 수소 가스를 생성할 수 있을 뿐 아니라, 환경오염이 적고, 연료전지와 연계가 가능하다는 점에서 장점이 있다.
수전해 반응은 수용액 상태에서 자연적으로 음이온 및 양이온으로 분리되지 않는 화합물을 전류를 인가하여 분리하는 과정이다. 이러한 수전해 반응에 사용되는 막-전극 접합체는 일반적으로 외부 전원, 양극(anode) 및 음극(cathode)을 포함한다.
외부 전원은 전해 대상물을 음이온 및 양이온으로 분리시키는데 필요한 전기력을 제공하고, 양극 및 음극은 각각 전기분해 대상물에 전기력을 전달하는 역할, 그리고 음이온 또는 양이온의 부착 지점을 제공할 수 있다.
양극 및 음극에서의 반응식 1은 다음과 같다.
[반응식 1]
양극 (산화반응) : H2O --> ½O2 + 2H+ + 2e-
음극 (환원반응) : 2H+ + 2e- --> H2
전체반응 : H2O --> ½O2 + H2
물(H2O)을 수소 가스(H2) 및 산소 가스(O2)로 분리할 때 에너지가 소모되며, 수소 가스(H2) 및 산소 가스(O2)가 다시 결합되어 물(H2O)을 형성할 때 에너지가 방출된다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 종래 기술에 따른 바이폴라 플레이트 및 수전해 장치를 설명한다. 도 1은 종래 기술에 따른 수전해 장치가 도시된 단면도이고, 도 2는 도 1에 따른 수전해 장치의 문제점을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 종래 기술에 따른 바이폴라 플레이트가 도시된 평면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 수전해 장치는, 산소 가스가 생성되는 양극 채널(A) 및 수소 가스가 생성되는 음극 채널(C)을 포함하며, 양극 채널(A)과 음극 채널(C) 사이에는 막-전극 접합체(M)가 구비된다.
양극 채널(A)로 액체 상태의 물(H2O)이 공급되면, 수전해 반응에 의해 수소 이온(H+)과 산소 가스(O2)가 생성되고, 수소 이온은 막-전극 접합체(M)의 멤브레인(membrane)을 통해 음극 채널(C)로 이동한다. 음극 채널(C)에서는 양극 채널(A)로부터 이동한 수소 이온이 반응에 참여하여 수소 가스(H2)가 생성된다.
양극 채널(A)에서 수전해 반응에 의해 생성된 산소 가스(O2)와, 음극 채널(C)에서 수전해 반응에 의해 생성된 수소 가스(H2)는 각각 액체 상태의 물과 기액 혼합, 즉 2상(2-phase)으로 흐를 수 있다. 2상으로 배출된 기액 혼합물은 각각, 수소 가스와 액체 상태의 물, 산소 가스와 액체 상태의 물로 기액분리된 후 분리된 물은 다시 수전해 시스템으로 재순환된다.
이러한, 과정에서, 도 2와 같이, 반응 생성물인 산소의 배출 방향과 반응물인 물의 유입 방향이 서로 대향되어 산소로 인해 물이 촉매층으로 이동하는 것이 방해가 되고, 이에 따라 수전해 효율이 감소하게 된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같은 종래의 바이폴라 플레이트(10)는, 양측에 유입구(11)와 유출구(12)가 각각 형성되어 있으며, 유입구(11)와 유출구(12) 사이에는 일자형 사행 유로(13)가 형성된다. 이러한 종래의 바이폴라 플레이트(10)는 가스 확산층(GDL)에서 기체가 입구에서 출구 방향으로 전달됨에 따라 출구 영역에 반응 생성물인 산소가 누적되어 반응물의 확산을 방해하여 활성 면적을 골고루 사용하지 못하는 문제가 있다.
한국등록특허 2405614호
본 발명은 유로 내의 차압을 감소시킬 수 있는 유로 형상을 구비하여 반응 생성물인 산소의 제거 능력 및 반응물 공급 능력을 향상시킬 수 있는 바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 수전해 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트는,
바디 플레이트; 상기 바디 플레이트의 일측에서 중심 방향으로 연장되어, 상기 바디 플레이트의 중심에 형성된 유입구; 상기 바디 플레이트의 타측에 형성된 유출구; 및, 상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 사행 유로;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트에 있어서, 상기 유입구는, 상기 바디 플레이트의 일측에서 중심 방향으로 연장 형성된 도입 유로를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트에 있어서, 상기 사행 유로는, 상기 유입구를 중심으로 상이한 반경을 갖는 복수개의 원형 유로가 서로 연결되어 단일 유로를 형성하는 동심원 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트에 있어서, 상기 복수개의 원형 유로 중 인접 형성된 두 원형 유로는 상기 도입 유로의 상측 또는 하측에서 서로 연결되어 단일 유로를 형성하며, 인접 형성된 두 원형 유로 내에서의 유체는 서로 반대 방향으로 유동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트에 있어서, 상기 사행 유로는, 상기 도입 유로 및 상기 유입구와 유출구를 잇는 가상의 기준선 상하측에, 상기 유입구를 중심으로 상이한 반경을 갖는 복수개의 반원형 유로가 서로 연결되어 형성된 제1 반동심원 유로와 제2 반동심원 유로로 이루어진 이중 사행 유로일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트에 있어서, 상기 사행 유로는, 상기 유입구를 원점으로 하는 가상의 수평선 및 수직선을 기준으로 형성된 가상의 사분면 상에, 상이한 반경을 갖는 1/4원형 유로들로 이루어진 사분 사행 유로일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트는,
바디 플레이트; 상기 바디 플레이트의 일측에서 중심 방향으로 연장되어 형성된 도입 유로를 포함하는 유입구; 상기 바디 플레이트의 타측에 형성된 유출구; 및, 상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 사행 유로;를 포함하며, 상기 유입구는 상기 바디 플레이트의 중심에서 상기 유출구 또는 상기 유입구 방향으로 편향된 지점에 형성되고, 상기 사행 유로는 상기 도입 유로 및 상기 유입구와 상기 유출구를 잇는 가상의 기준선 상하측에 상기 도입 유로 및 가상의 기준선을 중심으로 대칭 형성된 곡선형 사행 유로를 포함하며, 상기 곡선형 사행 유로는 소정 곡률을 갖는 상이한 크기의 아치형 유로와, 상기 아치형 유로의 단부에서 수평 방향으로 연장되는 수평 유로와, 상기 수평 유로의 단부에 형성되된 부분 반원형 유로를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수전해 장치는,
양극(anode), 음극(cathode) 및 상기 양극과 음극 사이의 멤브레인을 포함하는 막-전극 접합체; 상기 막-전극 접합체에 적층되며, 수전해 반응에 의해 생성된 산소 가스의 유로가 형성되는 양극 바이폴라 플레이트; 상기 양극 바이폴라 플레이트와 상기 막-전극 접합체 사이에 개재되는 가스 확산층;을 포함한다. 상기 양극 바이폴라 플레이트는, 바디 플레이트; 상기 바디 플레이트의 일측에서 중심 방향으로 연장 형성된 도입 유로를 포함하며, 상기 바디 플레이트의 중심에 형성된 유입구; 상기 바디 플레이트의 타측에 형성된 유출구; 및, 상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 사행 유로;를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 수전해 장치에 있어서, 상기 사행 유로는, 상기 유입구를 중심으로 상이한 반경을 갖는 복수개의 원형 유로가 서로 연결되어 단일 유로를 형성하는 동심원 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 수전해 장치에 있어서, 상기 사행 유로는, 상기 도입 유로 및 상기 유입구와 유출구를 잇는 가상의 기준선 상하측에, 상기 유입구를 중심으로 상이한 반경을 갖는 복수개의 반원형 유로가 서로 연결되어 형성된 제1 반동심원 유로와 제2 반동심원 유로로 이루어진 이중 사행 유로일 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 유로 내의 차압을 감소시킬 수 있는 유로 형상을 구비하여 반응 생성물인 산소의 제거 능력 및 반응물 공급 능력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 수전해 장치가 도시된 단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 수전해 장치의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 바이폴라 플레이트가 도시된 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 장치가 도시된 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 바이폴라 플레이트가 도시된 평면도이다.
도 6 내지 도 12는 도 3의 바이폴라 플레이트와 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 효과를 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 바이폴라 플레이트가 도시된 평면도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 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, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 수전해 장치를 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 장치가 도시된 분해 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수전해 장치(100)는, 양극(anode), 음극(cathode) 및 멤브레인(membrane)을 포함하는 막-전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)(110), 막-전극 접합체(110)의 양면에 각각 부착되며, 수전해 반응에 의해 생성된 수소 가스와 산소 가스의 유로가 형성되어 있는 바이폴라 플레이트(bi-polar plate)(130,　160)를 포함한다.
또한, 막-전극 접합체(110)는, 멤브레인과 양극 사이에 구비되는 양극 촉매층(anode catalyst) 및 멤브레인과 음극 사이에 구비되는 음극 촉매층(cathode catalyst)을 더 포함할 수 있다. 촉매층은 가스 확산층(115, 125)과 멤브레인 사이에 구비된다. 멤브레인은 선택적 이온 교환막으로서, 선택적으로 수소 이온이 양극에서 음극으로 이동하는 통로를 제공한다.
바이폴라 플레이트(130,　160)는, 표면에 유로가 형성되어 있는 기판으로서, 그 일면은 가스 확산층(115, 125)과 접촉하도록 구비된다. 유로는 음각 형태로 형성될 수 있다.
바이폴라 플레이트(130,　160)는 양극 채널에 구비되며 양극에서 생성된 산소 가스와 물(기액 혼합물)의 유로가 형성된 양극 바이폴라 플레이트(130) 및 음극 채널에 구비되며 음극에서 생성된 수소 가스와 물(기액 혼합물)의 유로가 형성된 음극 바이폴라 플레이트(160)를 포함한다.
바이폴라 플레이트(130,　160)는 산소 및 수소를 이송시키고 고르게 분포시키기 위한 역할, 반응에 의해 생성된 전자가 이동하도록 하는 역할 및 연료전지를 구성하는 둘 이상의 단위 전지를 연결하는 역할을 할 수 있다.
본 발명에서 양극 바이폴라 플레이트(130)는 중앙에 유입구(132)가 형성되고, 유입구(132)와 유출구(133)를 연결하는 사행 유로(134)를 포함한다. 이에 대해서는 도 5를 참조하여 후술한다.
수전해 장치(100)는 막-전극 접합체(110)로부터 멤브레인 내부에, 채널 형성을 위해 채워져 있는 물 등의 물질이 새어나오지 않도록 하는 가스켓(120, 150), 막-전극 접합체(110)에 있는 산소 및 수소 가스를 멤브레인으로 또는 그 역방향으로 확산시켜주는 가스 확산층(115, 125)(GDL; Gas Diffusion Layer) 및 바이폴라 플레이트(130,　160)가 가스 확산층(115, 125)과 접촉하는 면의 반대쪽 전면에 구비되는 엔드 플레이트(end plate)(140,　170)를 더 포함할 수 있다.
가스 확산층(115, 125)은 바이폴라 플레이트(130,　160)와 촉매층 사이에 구비되는 다공성 매체로서, 반응에 의해 생성 및 소모되는 전자를 전도시키는 역할과, 촉매층으로 반응물을 확산시켜 반응을 촉진시키는 역할을 한다. 가스 확산층(115, 125)은 다공성 전이층(Porous transport layer, PTL)이라고도 한다.
가스 확산층(115, 125)은 양극 바이폴라 플레이트(130) 측에 구비되어 양극 바이폴라 플레이트(130)와 멤브레인 사이에 반응물을 상호 확산시켜주는 양극 가스 확산층(115) 및 음극 바이폴라 플레이트(160) 측에 구비되어 음극 바이폴라 플레이트(160)와 멤브레인 사이에 반응물을 상호 확산시켜주는 음극 가스 확산층(125)을 포함한다.
이러한 수전해 장치(100)는, 다수개가 직렬로 연결되어 구비될 수 있다.
다음, 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 바이폴라 플레이트(130)를 설명한다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 바이폴라 플레이트(130)가 도시된 평면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 양극 바이폴라 플레이트(130)는, 바디 플레이트(131), 유입구(132), 유출구(133), 사행 유로(134)를 포함한다.
바디 플레이트(131)는 소정 형상의 판 부재이다. 바디 플레이트(131)는 사형유로(134)의 형상에 대응하도록 원형 형상으로 형성될 수 있다. 유입구(132), 유출구(133), 및 사행 유로(134)는 바디 플레이트(131)의 표면에 형성된 음각 패턴일 수 있다.
유입구(132)는 외부에서 공급된 또는 재순환된 물이 유입되는 유로이다. 유입구(132)는 바디 플레이트(131)의 중심에 형성된다. 유입구(132)는 바디 플레이트(131)의 일측에서 중심 방향으로 연장 형성된 도입 유로(132a)를 포함한다.
유출구(133)는 바디 플레이트(131)의 타측에 형성된다. 유출구(133)는 도입 유로(132a)의 가상 연장선 상에 형성될 수 있다.
유입구(132)와 유출구(133) 사이에는 이들을 연결하는 사행 유로(134, serpentine channel)가 형성된다.
본 발명의 일 실시예에서, 사행 유로(134)는 유입구(132)를 중심으로 상이한 반경을 갖는 복수개의 원형 유로(134a, 134b, 134c, 134d, ?)가 서로 연결되어 단일 유로를 형성하는 동심원 형상으로 형성될 수 있다.
복수개의 원형 유로(134a, 134b, 134c, 134d, ?) 중 인접 형성된 두 원형 유로는 도입 유로(132a)의 상측 또는 하측에서 서로 연결되어 단일 유로를 형성할 수 있다. 인접 형성된 두 원형 유로 내에서의 유체는 서로 반대 방향으로 유동한다. 즉, 원형 유로(134a)에서 유체는 반시계 방향으로, 원형 유로(134b)에서 유체는 시계 방향으로, 원형 유로(134c)에서 유체는 반시계 방향으로, 원형 유로(134d)에서 유체는 시계 방향으로, 교대로 반대 방향으로 유동한다.
바디 플레이트(131)의 일측에서 도입 유로(132a)를 통해 유입구(132)로 유입된 유체는 바디 플레이트(131)의 중심에서 동심원 형상의 사행 유로(134)를 따라 시계/반시계 방향으로 교대로 방향을 전환하여 유동하면서 일부는 가스 확산층(115)을 통해 촉매층으로 확산되고, 일부는 반응 생성물인 산소와 함께 유출구(133)를 통해 유출될 수 있다.
다음, 도 6 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 우수한 효과에 대해 설명한다. 도 6 내지 도 12는 도 3의 바이폴라 플레이트와 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 효과를 비교 설명하기 위한 도면이다. 도 6 내지 도 12에서 (a)는 도 3의 바이폴라 플레이트에 대한 작동 전압에 따른 시뮬레이션 결과이고, (b)는 본 발명의 일 실시예인 도 5의 바이폴라 플레이트에 대한 작동 전압에 따른 시뮬레이션 결과이다.
이하의 설명에서, 도 3의 종래 일자형 사행 유로(13)와, 양극 바이폴라 플레이트(130)에 형성된 원심형 사행 유로(134)를 애노드 채널(Anode Channel)이라고 통칭한다. 도 3과 같은 종래의 애노드 채널에서는 유입구(11)와 유출구(12)가 바이폴라 플레이트의 양 끝단에 형성되나, 도 5와 같은 본 발명의 애노드 채널에서는 유입구(132)가 바이폴라 플레이트(130)의 중심에 형성된다.
도 6은 가스 확산층(115)에서의 압력 분포를 보여준다.
도 6의 (a) 및 (b)를 참조하면, 양자 모두 유입구 측의 압력이 높고 유출구 측은 압력이 낮으나, 압력의 크기 면에서 도 6의 (a)는 유입구 측의 최대 압력과 유출구 측의 최소 압력의 차(이하, 차압)가 대략 8790Pa이나, 도 6의 (b)에서는 차압이 대략 6465Pa로서, 본 발명에 의할 때 차압이 감소됨을 확인할 수 있다. 이는 양자를 비교할 때, 본 발명의 경우 가스 확산층(115)에서 애노드 채널로 물질이 전달되는 경로(Pa(Pa1, Pa2, Pa3) > Pb)가 더 짧아졌기 때문이다. 그리고, 본 발명의 경우, 애노드 채널에서, 밀도가 더 작은 산소의 부피 분율(Volume Fraction)이 더 커졌기 때문이다.
도 7은 가스 확산층(115)에서의 산소의 속도 분포를 보여준다.
도 7의 (a) 및 (b)를 참조하면, 종래 보다 본 발명에서 유출구에서의 산소 속도가 빠른 것을 확인할 수 있다.
도 8은 가스 확산층(115)에서의 물 부피 분율(Water Volume Fraction)을 보여준다.
도 8의 (a)를 참조하면, 종래에는 물 부피 분율이 실질적으로 제로(zero)에 가까운 데드존(dead zone) 영역이 많은 것을 확인할 수 있으나, 도 8의 (b)를 참조하면, 본 발명에서는 데드존 영역이 극히 미미한 것을 확인할 수 있다.
도 6 내지 도 8을 종합하면, 본 발명의 경우, 종래보다 반응 생성물이 활성 면적 전체를 통해 균일하게 배출되어, 물의 이동이 더욱 원활함을 확인할 수 있다. 이는 본 발명에서는 유입구(132)가 바이폴라 플레이트(130)의 중심에 형성되어, 종래에 비해 물질이 전달되는 경로가 더 짧아져서 산소가 가스 확산층(115)에서 애노드 채널로 배출될 때의 유동 저항이 더 작아지게 되어 산소 배출 능력이 증가하였기 때문이다. 보다 구체적으로, 채널 자체는 경로가 더 길어졌지만, 가스 확산층 내에서 물질의 이동 경로는 더 짧아졌기 때문에 차압이 감소하였기 때문이다. 가스 확산층 내에서 물질의 이동 경로가 짧아진 이유는, 도 6에서 보여진 압력 분포 때문에 물질이 유입구(11)에서 유출구(12)로 이동하는 종래의 경우(a)와는 다르게, 본 발명(b)에서는 중심에 배치된 유입구(132)에서 유출구(133) 로 반경 방향으로 이동하기 때문이다.
도 9는 도 8의 물 부피 분율의 표준편차를 보여주는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 본 발명(b)의 경우, 종래(a) 보다 물 부피 분율의 표준편차가 약 10% 가량 감소된 것을 확인할 수 있다.
도 10은 작동 전압에 따른 물 부피 분율의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10을 참조하면, 작동 전압의 크기와 상관없이 종래(a) 보다 본 발명(b)이 물 부피 분율이 크며, 고전압으로 갈수록 그 차이가 커짐을 확인할 수 있다. 이는 본 발명이 종래 보다 산소 배출이 보다 효과적인 것을 의미한다.
도 11은 도 6에 도시된 가스 확산층(115)에서의 압력 분포를 보여주는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 종래(a) 대비 본 발명(b)의 경우, 차압이 약 36% 감소한 것을 확인할 수 있으며, 이는 고전류 밀도에서 운전시 소모 전력을 감소시킬 수 있음을 의미한다.
도 12는 작동 전압 1.8V에서 종래(a)와 본 발명(b)의 애노드 채널 및 가스 확산층(GDL, 또는 PTL)에서의 물 부피 분율을 보여준다.
도 12를 참조하면, 본 발명(b)은 애노드 채널에서의 물 부피 분율이 종래(a) 보다 작고, 가스 확산층에서의 물 부피 분율은 더 큰 것을 확인할 수 있다. 이는 본 발명(b)의 경우, 종래(a) 보다 산소 배출 및 물 공급을 더 원활하게 하기 때문에 성능이 향상되었음을 의미한다.
다음, 도 13 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 다른 실시예들에 따른 바이폴라 플레이트를 설명한다. 도 13 내지 도 16은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 바이폴라 플레이트가 도시된 평면도이다. 도 13 내지 도 16에서 (a)는 바이폴라 플레이트의 평면도이고, (b)는 (a)에서 바디 플레이트를 생략 도시한 부분 확대도이다.
도 13 내지 도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 양극 바이폴라 플레이트(130_2 ~ 130_5)는 각각, 바디 플레이트(131), 유입구(132_2 ~ 132_5), 유출구(133), 사행 유로(134_2 ~ 134_5)를 포함한다. 바디 플레이트(131) 및 유출구(133)는 전술한 일 실시예와 실질적으로 동일하므로 이에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 13을 참조하면, 유입구(132_2)는 바디 플레이트(131)의 중심에 형성되고, 유입구(132_2)와 유출구(133) 사이에는 이들을 연결하는 이중 사행 유로(134_2 : 134_2a, 134_2b)가 형성된다.
이중 사행 유로(134_2 : 134_2a, 134_2b)는 도입 유로(132a) 및 유입구(132_2)와 유출구(133)를 잇는 가상의 기준선 상하측에, 유입구(132_2)를 중심으로 상이한 반경을 갖는 복수개의 반원형 유로가 서로 연결되어 형성된 제1 반동심원 유로(134_2a)와 제2 반동심원 유로(134_2b)로 이루어진다.
유입구(132_2)는 제1 반동심원 유로(134_2a)와 제2 반동심원 유로(134_2b) 각각에 유체를 공급하게 된다. 즉, 유입구(132_2)는 실질적으로 2개의 유입구 기능을 수행한다.
도 14를 참조하면, 유입구(132_3)는 바디 플레이트(131)의 중심에서 유출구(133) 방향으로 편향된 지점에 형성되고, 유입구(132_3)와 유출구(133) 사이에는 이들을 연결하는 곡선형 사행 유로(134_3 : 134_3a, 134_3b)가 형성된다. 이때, 도입 유로(132a)는 편향된 지점에 형성된 유입구(132_3)까지 연장 형성된다. 유입구(132_3)는 곡선형 사행 유로(134_3a, 134_3b) 각각에 유체를 공급하게 된다.
곡선형 사행 유로(134_3 : 134_3a, 134_3b)는 도입 유로(132a) 및 유입구(132_3)와 유출구(133)를 잇는 가상의 기준선 상하측에, 도입 유로(132a) 및 가상의 기준선을 중심으로 대칭 형성된다.
곡선형 사행 유로(134_3a, 134_3b) 각각은 소정 곡률을 갖는 상이한 크기의 아치형 유로(134_aa)와, 아치형 유로(134_aa)의 단부에서 수평 방향으로 연장되는 수평 유로(134_ab)와, 수평 유로(134_ab)의 단부에 형성된 부분 반원형 유로(134_ac)를 포함한다. 물론, 도 14와는 달리, 유입구(132_3)가 바디 플레이트(131)의 중심에서 유출구(133)의 반대 방향으로 편향된 지점에 형성될 수도 있다.
도 15를 참조하면, 유입구(132_4)는 바디 플레이트(131)의 중심에 형성되고, 유입구(132_4)와 유출구(133) 사이에는 이들을 연결하는 사분 사행 유로(134_4 : 134_4a, 134_4b, 134_4c, 134_4d)가 형성된다.
사분 사행 유로(134_4 : 134_4a, 134_4b, 134_4c, 134_4d)는 유입구(132_4)를 원점으로 하여 가상의 수평선 및 수직선을 기준으로 형성된 가상의 사분면 상에 형성된다. 사분 사행 유로(134_4 : 134_4a, 134_4b, 134_4c, 134_4d) 각각은 상이한 반경을 갖는 1/4원형 유로들로 이루어진다.
제1 사분 사행 유로(134_4a)와 제2 사분 사행 유로(134_4b)가 서로 연결되어 전체적으로 상반원 형상이 되고, 제3 사분 사행 유로(134_4c)와 제4 사분 사행 유로(134_4d)가 서로 연결되어 전체적으로 하반원 형상이 된다.
유입구(132_4)는 제2 사분 사행 유로(134_4b)와 제3 사분 사행 유로(134_4c) 각각에 유체를 공급하게 된다. 유입구(132_4)를 통해 제2 사분 사행 유로(134_4b)로 유입된 유체는 제2 사분 사행 유로(134_4b)와 제1 사분 사행 유로(134_4a)를 번갈아 가면서 유동하다가 유출구(133)를 통해 유출된다. 마찬가지로, 유입구(132_4)를 통해 제3 사분 사행 유로(134_4c)로 유입된 유체는 제3 사분 사행 유로(134_4c)와 제4 사분 사행 유로(134_4d)를 번갈아 가면서 유동하다가 유출구(133)를 통해 유출된다.
도 16은 도 15의 바이폴라 플레이트가 일반화된 경우로, 유입구(132_5)와 유출구(133) 사이에는 이들을 연결하는 n분 사행 유로(134_5)가 형성된다.
이상, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 수전해 장치
110 : 막-전극 접합체
115,　125 : 가스 확산층
120, 150 : 가스켓
130, 130_2 ~ 130_5 : 양극 바이폴라 플레이트
131 : 바디 플레이트
132, 132_2 ~ 132_5 : 유출구
133 : 유출구
134, 134_2 ~ 134_5 : 사행 유로
140,　170 : 엔드 플레이트

Claims (10)

  1. 바디 플레이트;
    상기 바디 플레이트의 일측에서 중심 방향으로 연장되어, 상기 바디 플레이트의 중심에 형성된 유입구;
    상기 바디 플레이트의 타측에 형성된 유출구; 및,
    상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 사행 유로;
    를 포함하는, 바이폴라 플레이트.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 유입구는,
    상기 바디 플레이트의 일측에서 중심 방향으로 연장 형성된 도입 유로를 포함하는, 바이폴라 플레이트.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 사행 유로는,
    상기 유입구를 중심으로 상이한 반경을 갖는 복수개의 원형 유로가 서로 연결되어 단일 유로를 형성하는 동심원 형상으로 형성되는, 바이폴라 플레이트.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 복수개의 원형 유로 중 인접 형성된 두 원형 유로는 상기 도입 유로의 상측 또는 하측에서 서로 연결되어 단일 유로를 형성하며, 인접 형성된 두 원형 유로 내에서의 유체는 서로 반대 방향으로 유동하는, 바이폴라 플레이트.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 사행 유로는,
    상기 도입 유로 및 상기 유입구와 유출구를 잇는 가상의 기준선 상하측에, 상기 유입구를 중심으로 상이한 반경을 갖는 복수개의 반원형 유로가 서로 연결되어 형성된 제1 반동심원 유로와 제2 반동심원 유로로 이루어진 이중 사행 유로인, 바이폴라 플레이트.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 사행 유로는,
    상기 유입구를 원점으로 하는 가상의 수평선 및 수직선을 기준으로 형성된 가상의 사분면 상에, 상이한 반경을 갖는 1/4원형 유로들로 이루어진 사분 사행 유로인, 바이폴라 플레이트.
  7. 바디 플레이트;
    상기 바디 플레이트의 일측에서 중심 방향으로 연장되어 형성된 도입 유로를 포함하는 유입구;
    상기 바디 플레이트의 타측에 형성된 유출구; 및,
    상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 사행 유로;를 포함하며,
    상기 유입구는 상기 바디 플레이트의 중심에서 상기 유출구 또는 상기 유입구 방향으로 편향된 지점에 형성되고,
    상기 사행 유로는 상기 도입 유로 및 상기 유입구와 상기 유출구를 잇는 가상의 기준선 상하측에 상기 도입 유로 및 가상의 기준선을 중심으로 대칭 형성된 곡선형 사행 유로를 포함하며,
    상기 곡선형 사행 유로는 소정 곡률을 갖는 상이한 크기의 아치형 유로와, 상기 아치형 유로의 단부에서 수평 방향으로 연장되는 수평 유로와, 상기 수평 유로의 단부에 형성되된 부분 반원형 유로를 포함하는,
    바이폴라 플레이트.
  8. 양극(anode), 음극(cathode) 및 상기 양극과 음극 사이의 멤브레인을 포함하는 막-전극 접합체;
    상기 막-전극 접합체에 적층되며, 수전해 반응에 의해 생성된 산소 가스의 유로가 형성되는 양극 바이폴라 플레이트;
    상기 양극 바이폴라 플레이트와 상기 막-전극 접합체 사이에 개재되는 가스 확산층;을 포함하며,
    상기 양극 바이폴라 플레이트는,
    바디 플레이트;
    상기 바디 플레이트의 일측에서 중심 방향으로 연장 형성된 도입 유로를 포함하며, 상기 바디 플레이트의 중심에 형성된 유입구;
    상기 바디 플레이트의 타측에 형성된 유출구; 및,
    상기 유입구와 상기 유출구를 연결하는 사행 유로;
    를 포함하는, 수전해 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 사행 유로는,
    상기 유입구를 중심으로 상이한 반경을 갖는 복수개의 원형 유로가 서로 연결되어 단일 유로를 형성하는 동심원 형상으로 형성되는, 수전해 장치.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 사행 유로는,
    상기 도입 유로 및 상기 유입구와 유출구를 잇는 가상의 기준선 상하측에, 상기 유입구를 중심으로 상이한 반경을 갖는 복수개의 반원형 유로가 서로 연결되어 형성된 제1 반동심원 유로와 제2 반동심원 유로로 이루어진 이중 사행 유로인, 수전해 장치.
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