KR102638995B1 - concentric circular flow field with increasing oxygen emission for polymer electrolyte membrane water electrolysis stack with the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고분자 전해질막 수전해를 위해 애노드쪽 바이폴라 플레이트에 형성되는 유로 구조로서, 상기 바이폴라 플레이트의 일측면에 형성되어 반응물이 공급되는 유입구; 상기 바이폴라 플레이트의 일측면에 형성되어 반응물과 생성물이 배출되는 배출구; 및 상기 유입구와 배출구를 연통하는 채널;을 구비하고, 상기 채널은, 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주에 해당하는 부분에 위치하는 곡선부을 포함하는 유로 구조인 것이 특징이다. 본 발명은 상기 유로 구조로 인해, 수전해 유로 중 유입구보다는 배출구에 가까운 쪽에서 더 큰 채널간의 압력강하가 일어나고 그 결과 산소 배출이 증가하게 되어 전체적인 효율이 향상된다.The present invention is a flow path structure formed on an anode-side bipolar plate for polymer electrolyte membrane water electrolysis, comprising: an inlet formed on one side of the bipolar plate through which reactants are supplied; an outlet formed on one side of the bipolar plate through which reactants and products are discharged; and a channel communicating the inlet and the outlet, wherein the channel is characterized as having a flow path structure including a curved portion located in a portion corresponding to the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet. In the present invention, due to the above flow path structure, a greater pressure drop between channels occurs near the outlet than the inlet of the water electrolysis flow path, and as a result, oxygen emissions increase, thereby improving overall efficiency.
Description
본 발명은 소전해 스택 구조에 대한 기술로서, 구체적으로는 수전해 스택의 애노드에서 발생하는 산소를 효과적으로 배출하여 수전해의 작동효율을 향상시키는 유로 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for a small electrolysis stack structure, and specifically relates to a flow path structure that improves the operating efficiency of water electrolysis by effectively discharging oxygen generated at the anode of the water electrolysis stack.
일반적으로, 수전해시스템은 수전해 반응을 이용하여 수소와 산소를 생산하는 알칼리 수전해, 고분자전해질막(polymer electrolyte membrane) 수전해로 나누어지며, 고분자전해질막 수전해는 다시 양이온교환막(proton exchange membrane) 수전해와 음이온교환막(anion exchange membrane) 수전해로 나누어진다. 알카리 수전해는 전해액이 30 ∼ 40 wt%의 수산화칼륨(KOH) 순환수를 애노드(anode)와 캐소드(cathode) 양쪽 모두 순환시키면서 작동되며, 양이온교환막 수전해와 음이온 교환막은 애노드(anode)인 산소발생반응(OER) 쪽만 순환수를 순환하고 캐소드(cathode)인 수소발생반응(HER) 쪽은 건식 캐소드(dry cathode) 방식으로 대부분 작동된다.In general, water electrolysis systems are divided into alkaline water electrolysis, which produces hydrogen and oxygen using a water electrolysis reaction, and polymer electrolyte membrane water electrolysis. Polymer electrolyte membrane water electrolysis is again a cation exchange membrane (proton exchange membrane). ) It is divided into water electrolysis and anion exchange membrane water electrolysis. Alkaline water electrolysis operates by circulating 30 to 40 wt% potassium hydroxide (KOH) water through both the anode and cathode, and cation exchange membrane water electrolysis and anion exchange membrane use oxygen as the anode. Only the OER side circulates water, and the cathode, the hydrogen evolution reaction (HER) side, is mostly operated in a dry cathode manner.
이러한 기술 분야에 대한 종래 기술의 하나의 예로서, 등록특허 제10-1313382호 등이 있다. 수전해 스택은 작동유체가 유입되는 캐소드 유입구와 연통되고 수소와 공기가 반응하는 반응 영역을 향해 상기 작동 유체가 공급되도록 상기 캐소드 유입구에서 분기된 분기부가 형성된 분리판 및 상기 분리판을 마주보며 조립되는 전극판을 포함하는 수전해스택을 제시하고 있다.One example of prior art in this technical field is Patent Registration No. 10-1313382. The water electrolysis stack is in communication with the cathode inlet through which the working fluid flows, and is assembled by facing the separator plate and the separator formed with a branch branched from the cathode inlet so that the working fluid is supplied toward the reaction area where hydrogen and air react. A water electrolysis stack including electrode plates is presented.
종래의 수전해 스택에 구비된 분리판에는 작동 유체가 유입되는 유입와, 작동 유체가 유출되는 유출구가 형성된다. 상기 작동 유체는 유입구로 유입된 후에 유출구로 이동하는데, 작동 유체의 이동 궤적은 상기 유입구의 위치에서 상기 유출구의 위치로 향하는 직선 방향 또는 좌우측 방향으로 확산된 후에 이동하는 궤적을 이루게 된다.The separator plate provided in a conventional water electrolysis stack is formed with an inlet through which the working fluid flows and an outlet through which the working fluid flows out. The working fluid flows into the inlet and then moves to the outlet. The movement trace of the working fluid forms a trajectory that moves after spreading in a straight direction or left and right direction from the location of the inlet to the location of the outlet.
분리판은 작동 유체가 공급될 경우 산소 또는 수소가 발생되고 필연적으로 기포가 발생되는데, 상기 기포는 분리판의 반응성을 저하시키는 원인이 되고, 분리판은 중앙을 제외한 좌우 양측은 작동 유체의 이동 속도가 저하되고 생성된 기포가 손쉽게 제거되지 않는 문제점이 있다. 또한 분리판의 좌우 원주 방향에서는 작동 유체의 공급 밑 이동 속도가 현저하게 낮아지면서 데드 존(dead zone)이 발생되고, 다량의 기포가 유출구로 집중되면서 불 안정한 반응이 지속되는 문제점이 있어서 이에 대한 해결책이 필요하였다.When working fluid is supplied to the separator plate, oxygen or hydrogen is generated and bubbles are inevitably generated. The bubbles cause the reactivity of the separator to decrease, and the separator plate has two sides, excluding the center, that speed up the movement of the working fluid. There is a problem in that the temperature decreases and the generated bubbles cannot be easily removed. In addition, in the left and right circumferential directions of the separator plate, the moving speed under the supply of the working fluid is significantly lowered, creating a dead zone, and a large amount of air bubbles are concentrated in the outlet, causing an unstable reaction to continue. There is a solution to this problem. This was needed.
본 발명은, 수전해 스택의 애노드(anode)측에서 발생하는 산소를 효과적으로 배출하여 수전해의 작동효율을 향상시키는 것으로, 수전해 스택의 애노드측에서 생성된 반응물을 균일하게 전달하고, 다공전달층 유로를 통해 생성물을 균일하게 배출함에 따라 반응 면적에서 균일한 전류밀도 분포를 얻는 것을 목적으로 한다.The present invention improves the operating efficiency of water electrolysis by effectively discharging oxygen generated on the anode side of the water electrolysis stack, uniformly delivering reactants generated on the anode side of the water electrolysis stack, and forming a porous transfer layer. The purpose is to obtain uniform current density distribution in the reaction area by uniformly discharging the product through the flow path.
본 발명은 고분자 전해질막 수전해를 위해 애노드쪽 바이폴라 플레이트에 형성되는 유로 구조로서, 상기 바이폴라 플레이트의 일측면에 형성되어 반응물이 공급되는 유입구; 상기 바이폴라 플레이트의 일측면에 형성되어 반응물과 생성물이 배출되는 배출구; 및 상기 유입구와 배출구를 연통하는 채널;을 구비하고, 상기 채널은, 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주에 해당하는 부분에 위치하는 곡선부을 포함하는 유로 구조인 것이 특징이다.The present invention is a flow path structure formed on an anode-side bipolar plate for polymer electrolyte membrane water electrolysis, comprising: an inlet formed on one side of the bipolar plate through which reactants are supplied; an outlet formed on one side of the bipolar plate through which reactants and products are discharged; and a channel communicating the inlet and the outlet, wherein the channel is characterized as having a flow path structure including a curved portion located in a portion corresponding to the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet.
상기 유입구와 배출구는 서로 마주보는 대향점에 위치하고, 상기 채널은 상기 유입구와 배출구를 연결하는 가상의 지름선을 지름으로 하는 외곽원의 내측에 위치하고, 상기 채널은 상기 유입구와 배출구를 연결하는 가상의 지름선을 기준으로 한 양측 영역에서 서로 대칭으로 형성된다.The inlet and outlet are located at opposite points facing each other, the channel is located inside an outer circle whose diameter is a virtual line connecting the inlet and the outlet, and the channel is a virtual line connecting the inlet and the outlet. They are formed symmetrically on both sides of the diameter line.
상기 채널은, 상기 유입구와 배출구를 연통하면서 상기 가상의 지름선의 일측 영역에 위치하는 제1채널; 및 상기 유입구와 배출구를 연통하면서 상기 가상의 지름선의 타측 영역에 위치하는 제2채널을 포함한다.The channel includes: a first channel located in one area of the virtual diameter line and communicating with the inlet and outlet; and a second channel communicating with the inlet and outlet and located in an area on the other side of the virtual diameter line.
상기 제1채널은, 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주에 해당하는 부분에 위치하는 제1-1, 제1-2, 제1-3,... 제1-n 곡선부를 가지고, 상기 제2채널은, 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주에 해당하는 부분에 위치하는 제2-1, 제2-2, 제2-3,... 제2-n 곡선부를 가진다.The first channel has 1-1, 1-2, 1-3,... 1-n curved parts located in a portion corresponding to the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet. , the second channel is a 2-1, 2-2, 2-3,... 2-n curved portion located in a portion corresponding to the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet. have
상기 제1-1, 제1-2, 제1-3,... 제1-n 곡선부는, 서로 인접한 곡선부끼리 상기 외곽원의 원주 및 상기 가상의 지름선 부분에서 서로 연통되고, 상기 제2-1, 제2-2, 제2-3,... 제2-n 곡선부는, 서로 인접한 곡선부끼리 상기 외곽원의 원주 및 상기 가상의 지름선 부분에서 서로 연통된다.The 1-1, 1-2, 1-3,... 1-n curved parts communicate with each other adjacent curved parts at the circumference of the outer circle and the virtual diameter line, and the 1-n curved parts communicate with each other at the circumference of the outer circle and the virtual diameter line. In the 2-1, 2-2, 2-3,... 2-n curved parts, adjacent curved parts communicate with each other at the circumference of the outer circle and the virtual diameter line.
상기 채널은, 균일한 두께를 갖는 것이 좋고, 상기 반응물은 물이며, 상기 생성물은 산소 기체이다.The channel preferably has a uniform thickness, the reactant is water, and the product is oxygen gas.
또한, 본 발명은, 고분자 전해질막 수전해를 위한 수전해 스택으로서, 막전극접합체; 상기 막전극접합체의 일측에 위치하는 애노드 바이폴라 플레이트; 상기 막전극접합체의 타측에 위치하는 캐소드 바이폴라 플레이트; 상기 애노드 바이폴라 플레이트의 내측면에 형성되어 반응물이 공급되는 유입구; 상기 애노드 바이폴라 플레이트의 내측면에 형성되어 반응물과 생성물이 배출되는 배출구; 및 상기 유입구와 배출구를 연통하며, 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주에 해당하는 부분에 위치하는 복수 개의 곡선부을 갖는 것을 특징으로 하는 수전해 스택을 제공한다. In addition, the present invention provides a water electrolysis stack for polymer electrolyte membrane water electrolysis, comprising: a membrane electrode assembly; an anode bipolar plate located on one side of the membrane electrode assembly; a cathode bipolar plate located on the other side of the membrane electrode assembly; an inlet formed on the inner side of the anode bipolar plate through which reactants are supplied; An outlet formed on the inner side of the anode bipolar plate through which reactants and products are discharged; And it provides a water electrolysis stack, characterized in that it has a plurality of curved parts that communicate with the inlet and the outlet, and are located in a portion corresponding to the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet.
본 발명은 위에서 설명한 것과 같이 플레이트 표면에 동심원형 사형 유로를 형성함으로써, 사형 유로 중 배출구에 더 가까운 채널쪽에서 더 긴 유로 길이를 갖게 되고, 또한 더 큰 채널간의 압력 강하가 발생하게 된다.In the present invention, as described above, by forming concentric sand channels on the surface of the plate, the channel closer to the outlet among the sand channels has a longer channel length, and a larger pressure drop between channels occurs.
본 발명은 위와 같은 원리로 인해, 수전해 유로 중 유입구보다는 배출구에 가까운 쪽에 더 많은 산소가 쌓이기 때문에 배출구에 가까운 쪽에서 더 큰 채널간의 압력강하가 일어나고 그 결과 산소 배출이 증가하게 되어 전체적인 효율이 향상되는 유리한 효과가 발휘된다.In the present invention, due to the above principle, more oxygen accumulates on the side closer to the outlet than the inlet in the water electrolysis channel, so a larger pressure drop between channels occurs on the side closer to the outlet, and as a result, oxygen discharge increases and overall efficiency is improved. A beneficial effect is exerted.
도 1은 고분자 전해질 막의 일반적인 내용을 도시한 그림이며,
도 2와 도 3은 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조를 갖는 수전해 스택의 사시도와 분리사시도이며,
도 4와 도 5는 본 발명에 따른 수전해 스택 구성 중, 동심원형 사형 유로 구조가 형성된 애노드 바이폴라 플레이트를 보여주며,
도 6은 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조와 다른 형상의 유로 구조에서의 압력분포를 보여주는 그림이며,
도 7은 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조의 성능을 일반적인 형상의 유로 구조와 비교한 것으로 확산층(porous transport layer, 이하 PTL이라고도 함)에서의 수분 함량 비율을 비교하여 보여주는 것으로, 작동 전압에 따른 PTL에 존재하는 물의 체적 비율을 보여주는 그림이며,
도 8은 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조와 일반적인 형상의 유로 구조에서의 채널길이를 보여주는 그래프이며,
도 9는 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조와 일반적인 형상의 유로 구조에서의 채널간 압력강하를 보여주는 그래프이다.Figure 1 is a diagram showing the general contents of a polymer electrolyte membrane,
Figures 2 and 3 are a perspective view and an exploded perspective view of a water electrolysis stack having a concentric circular sand channel structure according to the present invention;
Figures 4 and 5 show an anode bipolar plate with a concentric circular sand channel structure among the water electrolysis stack configurations according to the present invention,
Figure 6 is a diagram showing the pressure distribution in a concentric circular sand channel structure according to the present invention and a channel structure of a different shape;
Figure 7 compares the performance of the concentric circular sand channel structure according to the present invention with the flow path structure of a general shape, and shows the moisture content ratio in the diffusion layer (porous transport layer, hereinafter referred to as PTL), depending on the operating voltage. This is a figure showing the volume ratio of water present in PTL,
Figure 8 is a graph showing the channel length in the concentric circular sand channel structure according to the present invention and the general shape channel structure;
Figure 9 is a graph showing the pressure drop between channels in the concentric circular sand channel structure according to the present invention and the general shape channel structure.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 또한, 사용된 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The objectives, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. In addition, the terms used are terms defined in consideration of the functions in the present invention, and may vary depending on the intention or custom of the user operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the overall content of this specification.
도 1은 본 발명이 속하는 기술분야인 고분자 전해질 막 구조의 일반적인 구조를 도시한 그림이며, 도 2와 도 3은 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조를 갖는 수전해 스택의 사시도와 분리사시도이며, 도 4와 도 5는 본 발명에 따른 수전해 스택 구성 중, 동심원형 사형 유로 구조가 형성된 애노드 바이폴라 플레이트를 보여주며, 도 6은 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조와 다른 형상의 유로 구조에서의 압력분포를 보여주는 그림이며, 도 7은 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조의 성능을 일반적인 형상의 유로 구조와 비교한 것으로 확산층(porous transport layer, 이하 PTL이라고도 함)에서의 수분 함량 비율을 비교하여 보여주는 것으로, 작동 전압에 따른 PTL에 존재하는 물의 체적 비율을 보여주는 그림이며, 도 8은 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조와 일반적인 형상의 유로 구조에서의 채널길이를 보여주는 그래프이며, 도 9는 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조와 일반적인 형상의 유로 구조에서의 채널간 압력강하를 보여주는 그래프이다.Figure 1 is a diagram showing the general structure of a polymer electrolyte membrane structure, which is a technical field to which the present invention belongs, and Figures 2 and 3 are a perspective view and an exploded perspective view of a water electrolysis stack having a concentric circular sand channel structure according to the present invention, Figures 4 and 5 show an anode bipolar plate with a concentric circular sand channel structure among the water electrolysis stack configurations according to the present invention, and Figure 6 shows the anode bipolar plate with a concentric circular sand channel structure and a different shape of the channel structure according to the present invention. It is a figure showing the pressure distribution, and Figure 7 compares the performance of the concentric circular sand channel structure according to the present invention with the flow path structure of a general shape by comparing the moisture content ratio in the diffusion layer (porous transport layer, hereinafter referred to as PTL). It is a figure showing the volume ratio of water present in the PTL according to the operating voltage, Figure 8 is a graph showing the channel length in the concentric circular sand channel structure according to the present invention and the channel structure of a general shape, and Figure 9 is a graph showing the channel length in the concentric circular sand channel structure according to the present invention. This is a graph showing the pressure drop between channels in the concentric circular sand channel structure according to the invention and the general shape channel structure.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 고분자 전해질 막 수전해 기술에 대한 내용을 개략적으로 도시한 것으로, 양극(anode)에서는 물이 반응하여 산소가 생성되고, 음극(Cathode)에서는 양성자가 반응하여 수소가 생성되는 것을 보여준다. 그리고, 단일 셀의 구성부품으로 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate), 확산층(Diffusion Layer), MEA 등의 구성과 이들의 작용을 보여준다. 그리고, 상기 바이폴라 플레이트의 표면에는 유체가 이동하는 유로가 음각으로 새겨져 있고, 반응물을 유로의 입구로 공급하여 주고, 반응물과 생성물을 유로의 출구로 배출하는 구조를 갖는데, 본 발명의 핵심은 이러한 유로의 구조를 개선한 것이다. 그리고, 그림의 구조를 다수 개로 적층하여 스택(Stack)을 만들면 이러한 단위 셀(Cell)들이 양 끝단에서 엔드 플레이트(End Plate)로 압력을 주어 체결하게 되는 구조이다.Figure 1 schematically illustrates the contents of the polymer electrolyte membrane water electrolysis technology, showing that oxygen is produced by water reaction at the anode, and hydrogen is produced by proton reaction at the cathode. In addition, the components of a single cell, such as a bipolar plate, diffusion layer, and MEA, are shown and their functions are shown. In addition, the surface of the bipolar plate is engraved with a channel through which fluid moves, and has a structure to supply reactants to the entrance of the channel and discharge reactants and products to the outlet of the channel. The core of the present invention is this. The structure of the euro was improved. Additionally, when multiple structures in the picture are stacked to create a stack, these unit cells are joined by applying pressure to the end plates at both ends.
도 2와 도 3을 참조하여, 본 발명의 따른 수전해 스택(100)을 보면, 도면상 좌우 양측에 위치하는 엔드 플레이트(110,170)가 각각 위치되고, 상기 엔드 플레이트 사이에 단위 셀이 순차적으로 적층된다. 여기서 110은 양극(anode)측 엔드 플레이트이고, 170은 음극(cathode)측 엔드 플레이트이다.Referring to Figures 2 and 3, looking at the
상기 양극측 엔드 플레이트(110)의 내측에는 애노드쪽의 바이폴라 플레이트(120)가 위치하고, 상기 음극측 엔드 플레이트(170)의 내측에는 캐쏘드쪽의 바이폴라 플레이트(160)가 위치한다. 그리고, 이들 바이폴라 플레이트들(120, 160)의 내측에는 가스켓과 MEA 등등이 위치하는데 이들의 구조 및 역할은 이 분야에서 일반적으로 사용되는 내용이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.An anode-side
본 발명의 특징은 애노드쪽의 바이폴라 플레이트(120) 표면에 형성되는 유로 형상에 있으므로 이하에서는 이에 대해 설명한다.Since the feature of the present invention is the flow path shape formed on the surface of the
도 4와 도 5에서는 본 발명에 따라 애노드쪽 바이폴라 플레이트(120)에 형성되는 유로 구조를 보여준다. 구체적으로 보면, 상기 바이폴라 플레이트(120)의 일측면에 형성되어 반응물이 공급되는 유입구(122)와, 상기 바이폴라 플레이트의 일측면에 형성되어 반응물과 생성물이 배출되는 배출구(124)가 구비되고, 이들 유입구와 배출구를 연통하는 채널(C)이 그 표면에 형성된다.Figures 4 and 5 show the channel structure formed in the anode-side
본 발명에서 상기 채널(C)은, 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주를 따라 이루어지도록 하였다. 즉, 본 발명의 채널은 상기 동심원의 원주에 해당하는 곡선부을 따라 형성되는 유로 구조인 것이다. 상기 채널(C)은 도 4의 도면에서 보아 좌측 영역에 위치하는 제1채널(C1)과 우측 영역에 위치하는 제2채널(C2)로 이루어진다. 즉, 반응물은 상기 유입구(122)로 유입되고, 이후 생성물과 반응물은 좌측의 제1채널을 지나서(또는 우측의 제2채널을 지나서) 상기 배출구(124)로 배출된다.In the present invention, the channel (C) is formed along the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet. That is, the channel of the present invention is a flow path structure formed along a curved portion corresponding to the circumference of the concentric circle. The channel (C) consists of a first channel (C1) located in the left area and a second channel (C2) located in the right area as seen from the drawing of FIG. 4. That is, reactants flow into the
즉, 상기 유입구(122)와 배출구(124)는 서로 마주보는 위치인 대향점에 위치하는데, 상기 채널은 상기 유입구와 배출구를 연결하는 가상의 지름선을 지름으로 하는 외곽원의 내측에 위치하도록 하되, 바람직하게는 상기 채널은 상기 유입구와 배출구를 연결하는 가상의 지름선을 기준으로 한 양측 영역에서 서로 대칭으로 형성되는 두 개의 유로를 가지는 것이 좋다. 상기 제1채널(C1)은, 상기 유입구와 배출구를 연통하면서 상기 가상의 지름선의 일측(좌측) 영역에 위치하고, 제2채널(C2)은 상기 유입구와 배출구를 연통하면서 상기 가상의 지름선의 타측(우측) 영역에 위치하는 것이며, 이렇게 두 개의 유로로 이루어지는 것은 하나의 예시적인 구조이며, 필요에 따라서는 좌우 대칭의 네 개의 유로 또는 더 많은 개수의 유로를 구비할 수도 있을 것이다.That is, the
상기 제1채널(C1)은, 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주에 해당하는 부분으로서, 유입구 측에서부터 순차적으로 위치하는 제1-1 곡선부(10-1), 제1-2 곡선부(10-2), 제1-3 곡선부(10-3)... 제1-n 곡선부(10-n)을 포함한다. 그리고, 상기 제2채널(C2)은, 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주에 해당하는 부분으로 유입구 측에서부터 순차적으로 위치하는 제2-1 곡선부(20-1), 제2-2 곡선부(20-2), 제2-3 곡선부(20-3)... 제2-n 곡선부(20-n)를 포함한다.The first channel (C1) is a portion corresponding to the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet, and includes a 1-1 curved portion 10-1 and a 1-2 curved portion sequentially located from the inlet side. It includes a curved portion 10-2, a 1-3 curved portion 10-3... and a 1-n curved portion 10-n. And, the second channel (C2) is a part corresponding to the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet, and is sequentially located from the inlet side, the 2-1 curved part 20-1, the 2- It includes a 2 curved part (20-2), a 2-3 curved part (20-3)... and a 2-n curved part (20-n).
그리고, 도 4에 도시된 것처럼, 상기 제1-1, 제1-2, 제1-3,... 제1-n 곡선부는, 서로 인접한 곡선부끼리 상기 외곽원의 원주 및 상기 가상의 지름선 부분에서 서로 연통되어 상기 유입구에서 상기 배출구까지 흐름 통로를 형성한다. 상기 제2-1, 제2-2, 제2-3,... 제2-n 곡선부는, 서로 인접한 곡선부끼리 상기 외곽원의 원주 및 상기 가상의 지름선 부분에서 서로 연통되어 상기 유입구에서 상기 배출구까지 흐름 통로를 형성한다. And, as shown in FIG. 4, the 1-1, 1-2, 1-3,... 1-n curved parts are formed between adjacent curved parts, the circumference of the outer circle, and the virtual diameter. The line portions communicate with each other to form a flow passage from the inlet to the outlet. The 2-1, 2-2, 2-3,... 2-n curved parts communicate with each other at the circumference of the outer circle and the virtual diameter line between adjacent curved parts at the inlet. A flow passage is formed up to the outlet.
도 5에서는 동심원형 채널 각각의 반지름의 예시적인 수치들이다. 상기 채널은 균일한 두께를 갖는 것이 좋으며, 바람직하게는 2mm의 간격을 갖도록 한다. 그리고, 상기 유입구로 투입되는 반응물은 물이며, 반응에 의해 애노드 측에서 생성되는 생성물은 산소 기체이다.Figure 5 shows exemplary values of the radii of each concentric circular channel. The channels preferably have a uniform thickness, and preferably have a gap of 2 mm. Additionally, the reactant introduced into the inlet is water, and the product generated at the anode side by the reaction is oxygen gas.
이하에서는 본 발명의 유로 구조에 의해 발휘되는 효과에 대해 설명한다.Below, the effects achieved by the flow path structure of the present invention will be described.
도 6은 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조 기존에 사용되는 직선부를 갖는 사형 유로 구조에서의 압력분포를 서로 비교하여 보여주는 그림이다. 도 6 (a)는 유로가 횡방향으로 직선으로 형성되고 양단에서 인접하는 유로끼리 연결되는 일반적인 유로(이하, 설명을 위해 '일반 사형 유로'라고 함)이며, 도 6의 (b)는 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로이다. 도 6은 양극(애노드)쪽의 유로에서의 압력분포 및 압력구배의 방향을 서로 비교하여 나타낸 것이다. 여기서 유로란, 바이폴라 플레이트 표면에 새겨진 채널 영역과 PTL 영역을 의미한다. Figure 6 is a diagram showing a comparison of the pressure distribution in the concentric circular sand channel structure and the existing sand channel structure with straight sections according to the present invention. Figure 6 (a) is a general flow path in which the flow path is formed in a straight line in the transverse direction and adjacent flow paths are connected at both ends (hereinafter referred to as a 'general sand flow path' for explanation), and Figure 6 (b) is a flow path according to the present invention. It is a concentric circular death path according to. Figure 6 shows a comparison of the pressure distribution and direction of pressure gradient in the anode (anode) side passage. Here, the flow path refers to the channel area and PTL area engraved on the bipolar plate surface.
도 6에서는 각 유로에서의 압력분포 및 압력구배의 방향을 나타내며, 그림에서 색은 압력의 높고 낮음을 시각적으로 표시한 것이며, 각각에서 붉은색 화살표는 압력구배의 방향을 나타낸다. 도 6 (a)와 (b) 각각의 좌측에 표시된 수치는 각 색깔이 표시된 부분의 유로에서 발생하는 압력값을 의미하며 그 단위는 Pa이다.Figure 6 shows the pressure distribution and direction of the pressure gradient in each flow path. In the figure, the colors visually indicate high and low pressure, and the red arrow in each represents the direction of the pressure gradient. The values shown on the left side of Figures 6 (a) and (b) represent the pressure values generated in the flow path of each color, and their unit is Pa.
도 6 (a)의 직선형 유로에서는 그림에서의 상하방향으로 수직선 형상으로 압력구배가 형성되고 있으며(도 6 (a)의 상하방향 화살표 참조) 횡방향으로는 동일한 압력이 분포한다. 도 6 (b)의 동심원형 사형 유로에서는 유로의 곡선부(동심원의 원주에 해당하는 도 4의 제1-1, 제1-2, 제1-3,... 제1-n 곡선부) 각각에는 동일한 압력이 분포하고 압력구배는 유입구에서 배출구를 향하는 방향으로 곡선형으로 분포하고 있다(도 6 (b)의 화살표 참조). In the straight flow path of Figure 6 (a), a pressure gradient is formed in the shape of a vertical line in the vertical direction in the figure (see the vertical arrows in Figure 6 (a)), and the same pressure is distributed in the lateral direction. In the concentric circular sand channel of Figure 6 (b), the curved part of the flow path (the 1-1, 1-2, 1-3,... 1-n curved parts of Figure 4 corresponding to the circumference of the concentric circle) The same pressure is distributed in each, and the pressure gradient is distributed in a curved direction from the inlet to the outlet (see arrow in Figure 6 (b)).
일반적인 수전해 과정을 보면, 유입구로 투입된 반응물이 반응하여 발생하는 기포는 유입구와 배출구를 수직으로 이어지는 중앙부에서 배출이 활발하고 중앙이 아닌 좌우 양측 영역에서는 작동 유체의 이동 속도가 저하되고 생성된 기포가 손쉽게 제거되지 않는 문제점이 있다. 본 발명은 도 6 (b)에 도시된 것처럼 동심원형 유로를 채택함으로써 각각의 곡선부에서는 동일한 압력 분포를 가지면서 압력구배가 유입구와 배출구를 연결하는 곡선형의 압력구배를 갖게 되는데(압력구배를 나타내는 화살표 모두가 배출구를 향하고 있음), 이러한 압력구배의 결과 생성된 기포가 용이하게 배출되는 효과를 갖는다(반면, 도 6의 (a)의 직선형 유로에서는 압력구배의 화살표가 배출구를 향하지 않아서 이러한 효과가 발휘되지 않음).Looking at the general water electrolysis process, the bubbles generated by the reaction of the reactants introduced into the inlet are actively discharged from the central part that runs vertically between the inlet and the outlet, and the moving speed of the working fluid decreases in the areas on both the left and right, rather than the center, and the generated bubbles decrease. There is a problem that cannot be easily eliminated. The present invention adopts a concentric circular flow path as shown in Figure 6 (b), so that each curved part has the same pressure distribution and a curved pressure gradient connecting the inlet and outlet (pressure gradient All indicated arrows are pointing toward the outlet), which has the effect of easily discharging the bubbles generated as a result of this pressure gradient (on the other hand, in the straight flow path of Figure 6 (a), the arrows of the pressure gradient do not point toward the outlet, so this effect is not effective).
도 7는 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조와 일반 사형 유로 구조에서의 작동 전압에 따른 PTL에 존재하는 물의 체적 비율(Water Volume Fraction)을 시뮬레이션한 그림이며, 작동전압에 따른 애노드 PTL 영역에서의 물의 체적비율이며, 유입구에서의 입구유량은 동일하게 100sccm으로 하였다. 여기서 물의 체적 비율은 PTL영역의 부피에서 PTL영역에 존재하는 물의 부피 비율을 의미하는 것으로, 물의 체적비율이 높을수록 산소 체적비율(Oxygen Volume Fraction)이 낮다는 의미이며, 수전해 과정에서의 생성물인 산소 배출이 효과적으로 이루어지는 것을 의미한다. Figure 7 is a diagram simulating the volume fraction of water present in the PTL according to the operating voltage in the concentric circular sand channel structure and the general sand channel structure according to the present invention, and the water volume fraction in the anode PTL area according to the operating voltage. This is the volume ratio of water, and the inlet flow rate at the inlet was set to 100 sccm. Here, the volume ratio of water refers to the volume ratio of the water present in the PTL area to the volume of the PTL area. The higher the volume ratio of water, the lower the oxygen volume fraction, and the product in the water electrolysis process. This means that oxygen is released effectively.
도 7의 그래프에 나타난 물 체적비율 수치는 애노드 PTL 전체 영역에서 구한 물 체적 비율의 평균값을 의미한다. 도 9를 보면, 일반 사형 유로보다 동심원형 사형 유로에서 더 높은 값의 물 체적 비율을 나타내고 있으며, 특히 작동전압 1.9V에서 동심원형 사형 유로가 0. 56으로 일반 사형 유로의 0.45보다 애노드 PTL에서 24% 높은 물 체적 비율을 보여주고 있으며 그만큼 산소 배출이 원활하다는 것을 의미한다. 수전해 분야에서 사용성이 높은 작동전압이 1.9V 정도이므로 이 범위에서 효과적인 성능을 보여주고 있다.The water volume ratio value shown in the graph of FIG. 7 means the average value of the water volume ratio obtained from the entire area of the anode PTL. Looking at Figure 9, the water volume ratio is higher in the concentric sand flow path than in the general sand flow path. In particular, at an operating voltage of 1.9 V, the concentric sand flow path is 0.56, which is 24% at the anode PTL, compared to 0.45 in the general sand flow path. It shows a high % water volume ratio, which means that oxygen discharge is smooth. Since the operating voltage that is most useful in the water electrolysis field is about 1.9V, it shows effective performance in this range.
도 8은 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조와 일반적인 형상의 유로 구조에서의 채널길이를 보여주는 그래프이며, 도 9는 본 발명에 따른 동심원형 사형 유로 구조와 일반적인 형상의 유로 구조에서의 채널간 압력강하를 보여주는 그래프이다.Figure 8 is a graph showing the channel length in the concentric circular sand flow channel structure and the general shaped channel structure according to the present invention, and Figure 9 is the pressure between channels in the concentric circular sand channel structure and the general shaped channel structure according to the present invention. This is a graph showing the descent.
도 8과 도 9에서 그래프 하단 횡축의 채널번호(Channel Number)는 유로의 입구에서부터 채널이 절곡되는 부위에서 다음 절곡되는 부분까지 순차적으로 채널에 번호를 부여한 것을 의미하는 것이다. 도 6의 그림에서 위에서 아래쪽으로 순차적으로 번호를 부여한 것이며, 도 4를 참조하면 유입구 측에서부터 순차적으로 제1-1 곡선부(10-1), 제1-2 곡선부(10-2), 제1-3 곡선부(10-3)... 제1-n 곡선부(10-n) 등등이 도 10에서의 채널번호 1,2,3,4...28가 되는 것이다.In FIGS. 8 and 9, the channel number on the horizontal axis at the bottom of the graph means that the channels are numbered sequentially from the entrance of the flow path to the bending portion of the channel to the next bending portion. In the picture of FIG. 6, numbers are assigned sequentially from top to bottom, and referring to FIG. 4, sequentially from the inlet side, the 1-1 curved part (10-1), the 1-2 curved part (10-2), and the 1-2 curved part (10-2). 1-3 curved portion (10-3)... 1-n curved portion (10-n), etc. become channel numbers 1, 2, 3, 4... 28 in FIG. 10.
도 8의 그래프에서 수직축으로 표시된 채널길이(Channel Length)는 각각의 채널번호에 해당하는 유로의 길이를 의미한다. 도 9의 그래프에서 수직축은 채널간 압력강하(Pressure Drop Between Channel)를 의미하는 것으로, 채널번호 (n+1)에 해당하는 수직막대는 채널번호 (n)과 채널번호 (n+1) 사이에서 발생하는 압력강하를 의미한다.In the graph of FIG. 8, the channel length indicated on the vertical axis means the length of the flow path corresponding to each channel number. In the graph of Figure 9, the vertical axis means pressure drop between channels, and the vertical bar corresponding to channel number (n+1) is between channel number (n) and channel number (n+1). This refers to the pressure drop that occurs.
도 8을 참고하여 일반 사형 유로 채널길이(검은색 막대)와 본 발명인 동심원형 사형 유로의 채널길이(붉은색 막대)를 서로 비교해 보면, 일반 사형 유로 대비 동심원형 사형 유로에 형성된 채널은 채널길이가 채널번호가 높은 쪽에서 더 길어지는 것을 알 수 있다.Referring to Figure 8, when comparing the channel length (black bar) of a general sand mold flow path and the channel length (red bar) of the concentric circular sand flow path of the present invention, the channel formed in the concentric circular sand flow path is shorter than that of the general sand mold flow path. You can see that the higher the channel number, the longer it becomes.
그리고, 도 9를 참고하여 일반 사형 유로 채널의 압력강하(검은색 막대)와 본 발명인 동심원형 사형 유로의 압력강하(붉은색 막대)를 서로 비교해 보면, 동심원형 사형 유로는 채널번호가 높은쪽(배출구에 더 가까운 쪽)에서 더 큰 채널간의 압력강하가 발생하게 된다. 이것은 동심원형 사형 유로는 채널번호가 높은쪽(배출구에 더 가까운 쪽)에서 더 긴 채널길이를 갖기 때문이다.And, referring to Figure 9, when comparing the pressure drop (black bar) of a general sand flow channel and the pressure drop (red bar) of the concentric circular sand flow channel of the present invention, the concentric circular sand flow channel has a higher channel number ( A greater pressure drop between channels occurs on the side (closer to the outlet). This is because the concentric round sand flow path has a longer channel length on the side with the higher channel number (closer to the outlet).
일반적으로, 수전해 유로에서는 유입구쪽보다는 배출구에 가까운 쪽에 더 많은 산소가 쌓이기 때문에, 본 발명에서처럼 배출구에 더 가까운 쪽에서 더 큰 채널간의 압력강하가 발생한다는 것은 이 영역에 쌓여지는 산소의 배출이 효율적으로 이루어진다는 의미하여 유리하다.Generally, in a water electrolysis channel, more oxygen accumulates on the side closer to the outlet than on the inlet side, so the greater pressure drop between channels occurs on the side closer to the outlet as in the present invention, which means that the oxygen accumulated in this area can be discharged efficiently. It is advantageous because it means that it will come true.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also possible. falls within the scope of rights.
Claims (11)
상기 바이폴라 플레이트의 일측면에 형성되어 반응물이 공급되는 유입구(122); 상기 바이폴라 플레이트의 타측면에 형성되어 반응물과 생성물이 배출되는 배출구(124); 및 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주에 해당하는 곡선부를 구비하는 채널;을 포함하고,
상기 채널은, 상기 유입구와 배출구를 연결하는 가상의 지름선을 지름으로 하는 외곽원의 내측에 위치하고, 상기 유입구와 배출구를 연결하는 가상의 지름선을 기준으로 한 양측 영역에서 서로 대칭으로 형성되며,
상기 채널은, 유입구와 배출구를 연통하면서 상기 가상의 지름선의 일측 영역에 위치하는 제1채널과, 상기 유입구와 배출구를 연통하면서 상기 가상의 지름선의 타측 영역에 위치하는 제2채널로 이루어지고,
상기 제1채널은, 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주에 해당하는 부분에 위치하는 제1-1, 제1-2, 제1-3,... 제1-n 곡선부를 가지고,
상기 제2채널은, 상기 유입구 상의 특정 지점을 중심으로 하는 동심원의 원주에 해당하는 부분에 위치하는 제2-1, 제2-2, 제2-3,... 제2-n 곡선부를 가지고,
상기 제1-1, 제1-2, 제1-3,... 제1-n 곡선부는, 서로 인접한 곡선부끼리 상기 외곽원의 원주 및 상기 가상의 지름선 부분에서 서로 연통되고,
상기 제2-1, 제2-2, 제2-3,... 제2-n 곡선부는, 서로 인접한 곡선부끼리 상기 외곽원의 원주 및 상기 가상의 지름선 부분에서 서로 연통되는 것을 특징으로 하는 동심원형 유로 구조.A channel structure formed on an anode bipolar plate for polymer electrolyte membrane water electrolysis,
An inlet 122 formed on one side of the bipolar plate through which reactants are supplied; An outlet 124 formed on the other side of the bipolar plate through which reactants and products are discharged; And a channel having a curved portion corresponding to the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet,
The channel is located inside an outer circle whose diameter is an imaginary diameter line connecting the inlet and the outlet, and is formed symmetrically on both sides of the imaginary diameter line connecting the inlet and the outlet,
The channel consists of a first channel communicating with an inlet and an outlet and located on one side of the virtual diameter line, and a second channel communicating with the inlet and an outlet and located on the other side of the virtual diameter line,
The first channel has 1-1, 1-2, 1-3,... 1-n curved parts located in a portion corresponding to the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet. ,
The second channel has 2-1, 2-2, 2-3,... 2-n curved parts located in a portion corresponding to the circumference of a concentric circle centered on a specific point on the inlet. ,
In the 1-1, 1-2, 1-3,... 1-n curved parts, adjacent curved parts communicate with each other at the circumference of the outer circle and the virtual diameter line,
The 2-1, 2-2, 2-3,... 2-n curved parts are characterized in that adjacent curved parts communicate with each other at the circumference of the outer circle and the virtual diameter line. Concentric circular flow path structure.
상기 채널은, 균일한 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 동심원형 유로 구조.According to paragraph 1,
The channel is a concentric circular flow path structure, characterized in that it has a uniform thickness.
상기 반응물은 물이며, 상기 생성물은 산소 기체인 것을 특징으로 하는 동심원형 유로 구조.According to paragraph 1,
A concentric circular flow path structure characterized in that the reactant is water and the product is oxygen gas.
막전극접합체;
상기 막전극접합체의 일측에 위치하는 애노드 바이폴라 플레이트;
상기 막전극접합체의 타측에 위치하는 캐소드 바이폴라 플레이트;
상기 애노드 바이폴라 플레이트에 형성되는 제1항의 유로 구조;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수전해 스택.As a water electrolysis stack for polymer electrolyte membrane water electrolysis,
Membrane electrode assembly;
an anode bipolar plate located on one side of the membrane electrode assembly;
a cathode bipolar plate located on the other side of the membrane electrode assembly;
A water electrolysis stack comprising a flow path structure of claim 1 formed on the anode bipolar plate.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E90F | Notification of reason for final refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |