KR101667110B1 - 전기 화학 단위 셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 전기 화학 단위 셀에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 전해질의 혼합효과를 개선하여 막전극 접합체의 성능과 내구성을 대폭 개선시키기 위한 요철(凹凸)의 구조를 가지는 분리판을 구비한 전기 화학 단위 셀을 제공하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 전해질 막의 양 표면에 촉매가 코팅되어 전극이 각각 형성된 MEA와, 상기 MEA의 양측에 각각 순차적으로 구비되는 한 쌍의 전류 전도판, 패킹 및 분리판과 프레임을 구비하는 전기 화학 단위 셀에 있어서, 상기 분리판은 요철 구조(凹凸)를 가지는 오목형의 제1 분리 영역(凹)과 볼록형의 제2 분리 영역(凸)을 가지고, 상기 제1 분리 영역(凹)과 제2 분리 영역(凸)은 동일선 상에 위치되는 전기 화학 단위 셀을 개시한다.

Description

전기 화학 단위 셀{ELECTROCHEMICAL UNIT CELL}
본 발명의 일 실시예는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)를 중심으로 양측에 전자의 이동경로 역할과 양극실과 음극실을 분리하는 분리판이 교차되는 요철(凹凸) 구조를 갖게 함으로서 양극실과 음극실내에서 전해질의 혼합을 촉진하고, 이로 인해 온도와 전해질의 농도를 균일하게 할 수 있는 전기 화학 단위 셀에 관한 것이다.
전기 화학 셀은 일반적으로 물과 같은 원료를 이용하여 가스를 만드는 전기분해 셀과, 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 등에 이용된다. 즉, 전기 화학 셀은 에너지변환 장치로서, 전기분해 셀과 연료전지로 구분된다. 전기분해 셀은 물을 전기 화학적으로 분해하여 수소와 산소를 발생하며, 연료전지는 이와 반대로 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 얻어내는 장치이다.
예를 들어, 수소이온 교환막 전기분해 셀(proton exchange membrane electrolysis cell)은 물을 전기 화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 기능을 한다.
도 1은 일반적인 전기 분해 셀을 나타내는 개념도로서, 물을 전기 화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀을 도시하고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 물(H20)은 양극(110), 즉 산소극으로 공급되어 산소 가스(O2)와 전자(e-) 그리고 수소이온(H+), 즉 프로톤으로 분해된다. 이때, 물(H20)의 일부분은 산소가스(O2)와 함께 전기분해 셀(100)의 외부로 유출된다. 또한, 분해된 수소이온(H+)은 수소 이온 교환막(120)을 통과하여 음극(130), 즉 수소극으로 이동하여, 양극(110)과 음극(130)을 연결하는 외부회로(140)를 따라 이동한 전자(e-)와 반응하여 수소가스(H2)가 된다. 그리고, 수소가스(H2) 및 수소이온(H+)과 동반하여 수소이온 교환막(120)을 통과한 물(H20)은 전기분해 셀(100)의 외부로 유출된다. 이 때, 양극(110)과 음극(130)에서 각각 일어나는 전기 화학적 반응을 표현하면 반응식 1, 2와 같다.
[반응식 1]
Figure 112014092663667-pat00001
[반응식 2]
Figure 112014092663667-pat00002
한편, 연료전지는 상기와 같은 물의 전기분해 반응 메커니즘과 반대로 반응이 일어난다. 즉, 연료전지에서는 수소, 메탄올(methanol) 또는 다른 수소 연료원과 산소가 반응하여 전기를 생산한다. 이때, 연료전지에서 일어나는 일반적인 반응을 표현하면 반응식 3, 4와 같다.
[반응식 3]
Figure 112014092663667-pat00003
[반응식 4]
Figure 112014092663667-pat00004
만약, 전기 화학 셀이 물을 분해하는 전기분해 셀로 이용된다면 약 0.05A/cm2 -4.3A/cm2의 전류밀도와 약 1.48 V - 3.0 V의 전압이 인가되고, 연료전지로 이용된다면 약 0.0001A/cm2 - 10A/cm2의 전류밀도와 약 0.4V - 1V의 전압이 인출되어, 가스 또는 연료전지를 각각 생산한다.
이 같은 전기 화학 셀은 양극과 음극을 갖는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 'MEA'라 함), 전자와 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 배열된 프레임, 분리판, MEA 지지체 및 가스켓(패킹) 등으로 구성된다.
도 2a는 연료전지를 구성하는 일반적인 단위 셀의 구성 관계를 나타내는 도면이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 단위 셀(200; Single Cell)은 전해질 막(211)의 양 측면에 촉매가 코팅되어 전극(212, 213)이 형성된 MEA(210)와, MEA(210)의 양측에 각각 위치하는 한 쌍의 패킹(220, 230)과, 한 쌍의 분리판(240, 250) 및 프레임(미도시)으로 구성된다.
또한, 전극(212, 213)과 분리판(240, 250)의 사이에는 전극(212, 213)과 동일한 크기로 형성되어 원료 등을 MEA(210)에 균등하게 공급하는 다공판(미도시)이 더 설치될 수 있다. 이때, MEA(210)의 전해질 막(211)과 패킹(220, 230) 및 분리판(240, 250)의 상하단에는 공기 또는 연료가 공급되는 공급통로가 각각 형성된다.
또한, 분리판(240, 250)에는 반응물 및 생성물의 유체가 유동하는 유동통로(241, 251)가 각각 형성된다. 이때, 일측 분리판(240)의 유동통로(241)에는 연료가 유동하고, 그에 따라 이와 접촉하는 MEA(210)의 전극(212)이 연료극(즉, 산화전극, 양극, Anode)이 되며, 타측 분리판(250)의 유동통로(251)에는 공기가 유동하고, 그에 따라 이와 접촉하는 MEA(210)의 전극(213)이 공기극(환원전극, 음극, Cathode)이 된다. 한편, 도 2a에서의 도면부호 212는 전극 또는 연료극으로 병행하여 병기하고, 도면부호 213은 전극 또는 공기극으로 병행하여 병기되어 있다.
도 2b는 도 2a의 분리판에 형성된 유로의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 분리판(240)에 생성된 유로(251)는 MEA와 반응물이 접촉할 수 있도록 설계될 수 있다. 그러나, 이러한 형태 외에도 평행 유로 등도 설계될 수도 있다.
도 3은 연료전지를 구성하는 일반적인 셀 조립체의 구성 관계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 셀 조립체(300)는 도 2와 같이 구성되는 단위 셀(200)이 일렬로 다수 개 적층되는 형태를 갖도록 배열하고, 외측 양쪽에 한 쌍의 전류 공급판(310) 및 앤드플레이트(320, 프레임)를 위치시킨 후, 볼트(330)와 너트(340)로 조이는 타이로드 방식으로 조립된다. 이때, 단위 셀(200)을 구성하는 분리판(240 또는 250), 패킹(220), MEA(210) 및 다른 패킹(230)이 순차적으로 일렬로 대수 개 적층된다. 따라서, 셀 조립체(300)의 내부에는 단위 셀(200)을 구성하는 구성요소들의 상하단에 각각 형성되는 연료 또는 공기 공급통로를 통해 연료극(212)으로 연료를 공급하는 연료 공급라인(350)과, 공기극(213)으로 공기를 공급하는 공기 공급라인(360)이 각각 형성된다. 한편, 전류 공급판(310)은 구리 재질의 판형으로 제작되어 전류를 공급하는 역할을 할 뿐만 아니라, 단위 셀(200)을 고정하는 앤드 플레이트의 역할도 한다.
이러한 연료 공급라인(350)과 공기 공급라인(360)으로 연료와 공기가 공급되면, 각 단위셀(200)의 연료극(212)측 분리판(240)의 유동통로(241)와 공기극(213)측 분리판(250)의 유동통로(251)로 각각의 연료와 공기가 각각 유입되면서 각 단위 셀(200)에서 전기 화학 반응이 일어나게 된다. 이때, 전류는 전류 공급판(310) 또는 앤드 플레이트(320)를 통해 인가 또는 인출된다. 또한, 각 단위 셀(200)의 분리판(240, 250)과 MEA(210)사이에 패킹(220, 230)이 각각 삽입되어 있어 유체의 외부 누설을 방지할 수 있다.
그러나, 상기와 같은 일반적인 전기 화학 셀의 분리판은 반응 유입부와 생성부 사이에 농도차가 심하고, 이로 인해 온도 편차가 발생하는 문제점이 있으며, 또한 전기 화학 셀의 반응 면적내 위치 별로 전도도가 달라져 전류가 균일하게 흐르지 않고, 불균일하게 흐르게 되어 막 전극 접합체의 내구성 및 성능에 악영향을 미칠 수 있다는 문제점이 있었다.
특허공개공보 제10-1998-040913호 '가스 기밀성이 개선된 고체 전해질 연료 전지' 특허공개공보 제10-2001-0060112호 '고분자 전해질 연료전지'
본 발명의 일 실시예는 전해질의 혼합효과를 개선하여 막전극 접합체의 성능과 내구성을 대폭 개선시키기 위한 요철(凹凸)의 구조를 가지는 분리판을 구비한 전기 화학 단위 셀을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 전기 화학 단위 셀은 전해질 막의 양 표면에 촉매가 코팅되어 전극이 각각 형성된 MEA와, 상기 MEA의 양측에 각각 순차적으로 구비되는 한 쌍의 전류 전도판, 패킹 및 분리판과 프레임을 구비하는 전기 화학 단위 셀에 있어서, 상기 분리판은 요철 구조(凹凸)를 가지는 오목형의 제1 분리 영역(凹)과 볼록형의 제2 분리 영역(凸)을 가지고, 상기 제1 분리 영역(凹)과 제2 분리 영역(凸)은 동일선 상에 위치될 수 있다.
상기 제1 분리 영역(凹)은 반응물 및 생성물의 이동 경로로 작용할 수 있다.
상기 제2 분리 영역(凸)은 그 상부에 전류 전도판이 접촉될 수 있다.
상기 제1 분리 영역(凹)의 유로는 10 내지 100cm의 길이를 가질 수 있다.
상기 제1 분리 영역(凹)의 유로는 20 내지 30cm의 길이를 가질 수 있다.
상기 제1 분리 영역(凹)의 유로는 2 내지 10cm의 폭으로 형성될 수 있다.
상기 제1 분리 영역(凹)의 유로는 3 내지 5cm의 폭으로 형성될 수 있다.
상기 제2 분리 영역(凸)의 상부는 10 내지 100cm의 길이를 가질 수 있다.
상기 제2 분리 영역(凸)의 상부는 20 내지 30cm의 길이를 가질 수 있다.
상기 제2 분리 영역(凸)의 상부는 2 내지 10cm의 폭으로 형성될 수 있다.
상기 제2 분리 영역(凸)의 상부는 3 내지 5cm의 폭으로 형성될 수 있다.
상기 제1 분리 영역(凹)과, 이에 인접하는 제2 분리 영역(凸) 사이의 경사 기울기는 20 내지 70도일 수 있다.
상기 제1 분리 영역(凹)과, 이에 인접하는 제2 분리 영역(凸) 사이의 경사 기울기는 40 내지 50도일 수 있다.
상기 전해질막, 전류 전도판, 분리판 및 패킹의 상부 및 하부에는 공기 또는 연료가 공급되는 공급 통로가 형성될 수 있다.
상기 전해질 막은 양이온 교환막일 수 있다.
상기 전극의 표면에는 산화 및 환원 반응을 위한 백금, 이리듐, 루테늄, 니켈 중 어느 하나의 촉매가 코팅될 수 있다.
상기 전류 전도판은 상기 전극과 동일한 크기이고, 다공질 또는 메쉬 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기 화학 단위 셀은 전기 화학 단위 셀의 분리판을 요철(凹凸)의 구조로 형성하고 있기 때문에, 전해셀 내의 온도 및 전해질 분포를 일정하게 하고, 이로 인해 전류밀도 분포를 균일하게 하여 막전극 접합체의 성능을 개선할 수 있다.
도 1은 일반적인 전기 분해 셀을 나타내는 개념도이다.
도 2a는 연료전지를 구성하는 일반적인 단위 셀의 구성 관계를 나타내는 도면이다.
도 2b는 도 2a의 분리판에 형성된 유로의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 연료전지를 구성하는 일반적인 셀 조립체의 구성 관계를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 화학 단위 셀을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 요철구조의 분리판을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 전기 화학 단위 셀을 다수 개 적층하여 구성한 복극식 전기 화학 셀 조립체를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 화학 단위 셀의 테스트 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7의 테스트시 전류 변화에 따른 단위 셀별 전압 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9은 도 7의 테스트시 전류 변화에 따른 단위 셀별 전압 분포를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 7의 테스트시 전류와 수소 유량의 상관 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 도 7의 테스트시 전기 화학 셀 조립체의 효율 변화를 나타내는 그래프이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 대형 발전소 발전기의 냉각을 목적으로 수소를 공급하기 위한 현장형 수소 발생기의 여러 구성요소 중 핵심기술인 전해셀의 구성에 관한 것이다. 본 발명의 전기 화학 단위 셀은, 전해질 막의 양 표면에 촉매가 코팅되어 전극이 각각 형성된 막전극접합체(MEA)와, 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 막전극접합체를 기준으로 배열되는 패킹, 분리판 및 프레임을 포함하며, 분리판은 교차되는 요철(凹凸) 형태로 구성하여 양극실과 음극실 각각의 내부에서 혼합효과를 증진시켜 온도 및 농도를 균일하게 하여 막전극 접합체의 내구성을 증진시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 화학 단위 셀을 나타내는 도면이고, 도 5는 도 4의 요철구조의 분리판을 나타내는 도면이며, 도 6은 도 4의 전기 화학 단위 셀을 다수 개 적층하여 구성한 복극식 전기 화학 셀 조립체를 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전기 화학 단위 셀(400; Single Cell)은 전해질 막(411)의 양 측면에 촉매가 코팅되어 전극(412, 413)이 형성된 MEA(410)와, MEA(410)의 양측에 순차적으로 각각 위치하는 한 쌍의 전류 전도판(420, 430), 한 쌍의 패킹(460), 한 쌍의 분리판(440, 450) 및 프레임(미도시)으로 구성된다.
이러한 MEA(410)의 전해질 막(411), 전류 전도판(420, 430), 요철(凹凸)의 구조의 분리판(440, 450) 및 패킹(460)의 상하단에는 공기 또는 연료가 공급되는 공급통로가 각각 형성된다.
상기 전해질 막(411)은 양이온 교환막이며, 전극(412, 413)은 산화 및 환원반응에 적합한 백금(Pt), 이리듐, 루테늄, 니켈 등의 촉매를 일정 두께로 코팅하여 형성한다.
따라서, 본 발명에서의 MEA(410)는 높은 전기 화학적 반응 활성을 갖게 된다. 이때, 상기 전극(412, 413)은 접촉 저항 및 물질전달 저항을 최소화할 수 있도록 촉매를 얇고 균일하게 도포하여 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 전류 전도판(420, 430)은 MEA(410)에 외부 전류를 인가하거나 MEA(410)에서 외부 전류로 인출하는 역할과 반응물과 생성물의 MEA(410)로 확산과 이들 전해질의 혼합을 돕는 역할을 한다. 이러한 전류 전도판(420, 430)은 MEA(410)의 전극(412, 413)과 동일 크기로 제작하되, 다공 또는 메쉬 형태로 제작하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 다공판일 경우 두께가 1mm 이하인 원형판 또는 사각판을 이용하는 것이 바람직하다.
상기 분리판(440,450)에 의해 형성되는 유로(441, 451)는 분리판(440, 450)으로 유입되는 반응물을 MEA(410)로 확산하고, MEA(410)의 전기 화학 반응에 의한 생성물을 분리판(440, 450)으로 확산하는데 돕는 역할을 하여야 한다. 예를 들면, 상기 전기 화학적 단위셀이 대형인 경우, 수직 방향으로 1m 길이를 가지는 전해셀에서의 반응물 유입부와 생성물 출구의 농도 편차는 5%, 온도편차는 3℃ 가 발생한다. 이때, 출구와 입구에서 국부적으로 전해질의 전도도가 다르며, 전도도에 따라 입구과 출구 부근에서의 전류 밀도의 차가 발생한다. 즉, 상기 전도도가 큰 출구 부분에서는 전류가 많이 흐르고, 전도도가 작은 입구 부분에서는 전류가 상대적으로 작은 전류가 흐르게 되어 MEA(410)의 수명 및 성능에 영향을 미치게 된다.
따라서, 상기 전해셀 내에서 전해질의 혼합을 통한 농도 균일화는 매우 중요한 인자이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 분리판(500)은 제1 경사면(520a) 과 제2 경사면(520b)에 형성된 凹부분, 즉 제1 유로(510a)와 제3 경사면(520c)에 형성된 凹부분 즉, 제2 유로(510b)를 따라 이동하는 유체는 분리부(550a)에서 분리되고 혼합부(550b)에서 혼합된다. 상기 혼합부(550b)에서 혼합된 유체는 다시 다음 영역의 제4 경사면(520d)와 제5 경사면(520e)에 형성된 凹부분 제3 유로(510c)로 유입된다. 그 결과 인접한 凹부분 유로로 이동한 반응물은 혼합이 진행되어 농도가 균일화 된다.
이때, 상기 제1 내지 제5 경사면(520a, 520b, 520c, 520d, 520e)의 기울기는 20도 내지 70도의 경사도가 바람직하다. 상기 기울기가 70도 이상에서는 유체 이동에 저항이 커져 전해질 순환 펌프의 소요동력이 커지는 단점이 발생하며, 기울기가 20도 이하에서는 요철 사이의 간격이 커져 충분한 혼합효과를 얻지 못하게 된다. 더욱 바람직하게는, 제1 내지 제5 경사면(520a, 520b, 520c, 520d, 520e)의 기울기는 40도 내지 50도일 수 있다.
상기 凹부분 유로, 즉 제1 내지 제3 유로(510a, 510b, 510c)의 크기는 10 내지 100cm이고, 폭은 2 내지 10cm인 것이 바람직하다. 상기 길이가 10cm이하인 경우와 폭이 2cm 이하인 경우에서는 혼합 효과는 우수하지만 가공성에서 문제가 되며, 길이가 100cm 이상인 경우와, 폭이 10cm 이상인 경우에서는 전해셀 내의 반응물 혼합 효과에 문제가 된다. 더욱 바람직하게는, 정상부(540) 크기가 길이 20cm 내지 30cm이고, 폭이 3cm 내지 5cm로 형성될 수 있다.
상기 凸부분의 정상부(540)는 전류 전도판과 접촉되는 부분으로 정상부의 길이는 10 내지 100cm이고, 폭은 2 내지 10cm로 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 길이가 10cm 이하로 형성되는 경우와, 폭이 2cm 이하로 형성되는 경우에서는 전류 전도판으로의 전기 전도량 및 혼합효과는 우수하지만 가공성에서 문제가 되며, 길이가 100cm 이상으로 형성되는 경우와, 폭이 10cm 이상으로 형성되는 경우에 전해셀 내의 반응물 혼합효과 및 전류 전도판으로의 전기 전도량이 작아지기 때문에 문제가 발생될 수 있다. 더욱 바람직하게는, 정상부(540)의 크기는 길이가 20cm 내지 30cm이고, 폭은 3cm 내지 5cm로 형성될 수 있다.
상기와 같이 구성된 분리판(500)은 티타늄, 스테인리스 스틸, 백금, 은 또는 구리 등의 전도성이 우수한 금속으로 코팅한 티타늄, 스테인리스 스틸 등으로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 분리판(500)은 백금이 도금된 스테인리스 스틸로 형성될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 복극식 전기 화학 셀 조립체(600)는 도 4와 같이 구성되는 단위 셀(400)이 일렬로 다수 개 적층되는 형태를 갖도록 배열하고, 외측 양쪽에 한 쌍의 전류 공급판(690) 및 앤드 플레이트(도시안됨)를 각각 위치시킨 후, 한 쌍의 앤드 플레이트를 볼트와 너트(690)로 조이는 타이로드 방식으로 조립하여 구성한다.
이때, 단위 셀(400)을 구성하는 분리판(440 또는 450), 패킹(460), 전류 전도판(420), 패킹(460), MEA(210), 패킹(460), 전류 전도판(430) 및 패킹(460)은 순차적으로 일렬로 적층되는 방식으로 배치된다.
또한, 상기 복극식 전기 화학 셀 조립체(600)의 내부에는 단위 셀(400)을 구성하는 구성요소들의 상하단에 각각 형성되는 연료 또는 공기 공급통로를 통해 연료극(412)으로 연료를 공급하는 연료 공급라인(650)과, 공기극(413)으로 공기를 공급하는 공기 공급라인(660)이 각각 형성된다.
따라서, 상기 연료 공급라인(650)과 공기 공급라인(660)으로 연료와 공기가 공급되면, 각 단위셀(400)의 연료극(412)측 분리판(440)의 유동통로(441)와 공기극(413)측 분리판(450)의 유동통로(451)로 각각의 연료와 공기가 각각 유입되면서 각 단위 셀(400)에서 전기 화학 반응이 일어나게 된다.
따라서, 상기와 같이 구성된 분리판을 구비하는 전기 화학 단위 셀은 전해셀 내의 반응물의 혼합효과를 개선하여 MEA의 성능 및 수명을 증진시켜 운전 비용을 혁신적으로 절감하는 원가 절감의 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 효과를 확인하기 위해 이하의 실시예를 추가하였다. 본 실시예들은 도 7 내지 도 11을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 화학 단위 셀의 테스트 상태를 나타내는 도면이고, 도 8은 도 7의 테스트시 전류 변화에 따른 단위 셀별 전압 변화를 나타내는 그래프이며, 도 9은 도 7의 테스트시 전류 변화에 따른 단위 셀별 전압 분포를 나타내는 그래프이고, 도 10은 도 7의 테스트시 전류와 수소 유량의 상관 관계를 나타내는 그래프이며, 도 11은 도 7의 테스트시 전기 화학 셀 조립체의 효율 변화를 나타내는 그래프이다.
[실시예]
도 7에 도시된 바와 같이, 우선 본 발명에서 제시한 분리판이 포함된 셀 조립체를 제작하여 성능 평가를 시행하였다.
이때, 셀 조립체에 사용된 막 전극 접합체의 직경은 20cm, 유효면적은 314cm2이며, 11개 막 전극 접합체를 적층하여 셀 조립체를 제작하였다.
도 8을 참조하여, 셀 조립체내 11개 단위셀의 전류증가에 따른 전압 변화 그래프를 살펴보면, 평균 셀 전압은 초기 2.00V에서 시작하여 2.26V까지 상승함을 알 수 있었다.
또한, 도 9를 참조하여, 각 단위셀별 전압 분포를 살펴보면, 외부에서 중앙으로 가면서 과전압이 상승하다가 중앙에서 최저 과전압을 보였고 이후 다시 외부로 나오면서 셀 전압이 증가하다가 감소하는 경향을 보였으며, 전체적으로 좌우 대칭인 양상을 보였다.
또한, 도 10을 참조하여, 전류변화에 따른 수소유량(이론값과 실측값) 변화에 대한 그래프를 살펴보면, 유량과 전류와의 관계가 상당히 밀접함을 알 수 있다.
아울러, 도 11을 참조하여, 셀 조립체에서 생산된 수소양을 바탕으로 효율을 계산한 결과를 살펴보면, 전류에 상관없이 약 80%의 효율을 보임을 알 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 전기 화학 단위 셀을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
400: 전기 화학 단위 셀 410: MEA
411: 전해질 막 411, 412: 전극
420, 430: 전류 전도판 440, 450, 500: 분리판
460: 패킹 510a, 510b, 510c: 유로
520a, 520b, 520c, 520d, 520e: 경사면 540: 정상부
600: 복극식 전기 화학 셀 조립체 650: 연료 공급라인
660: 공기 공급라인

Claims (17)

  1. 전해질 막의 양 표면에 촉매가 코팅되어 전극이 각각 형성된 MEA와, 상기 MEA의 양측에 각각 순차적으로 구비되는 한 쌍의 전류 전도판, 패킹 및 분리판과 프레임을 구비하는 전기 화학 단위 셀에 있어서,
    상기 분리판은 요철 구조(凹凸)를 가지는 유체가 이동하기 위한 유로를 구성하는 오목형의 제1 분리 영역(凹)과 볼록형의 제2 분리 영역(凸)을 가지고,
    상기 제1 분리 영역(凹)과 제2 분리 영역(凸)은 요철 구조(凹凸)가 교차되는 형태로 상기 유체가 상기 유로를 따라 이동하는 방향을 따라 동일선 상에 위치되며,
    상기 동일선 상에 위치한 제1 분리 영역(凹)과 제2 분리 영역(凸) 사이에 분리부 또는 혼합부 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 분리 영역(凸)은 그 상부에 전류 전도판이 접촉되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리 영역(凹)의 유로는 10 내지 100cm의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리 영역(凹)의 유로는 20 내지 30cm의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리 영역(凹)의 유로는 2 내지 10cm의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리 영역(凹)의 유로는 3 내지 5cm의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 분리 영역(凸)의 상부는 10 내지 100cm의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 분리 영역(凸)의 상부는 20 내지 30cm의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 분리 영역(凸)의 상부는 2 내지 10cm의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 분리 영역(凸)의 상부는 3 내지 5cm의 폭으로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리 영역(凹)과, 이에 인접하는 제2 분리 영역(凸) 사이의 경사 기울기는 20 내지 70도인 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분리 영역(凹)과, 이에 인접하는 제2 분리 영역(凸) 사이의 경사 기울기는 40 내지 50도인 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 전해질막, 전류 전도판, 분리판 및 패킹의 상부 및 하부에는 공기 또는 연료가 공급되는 공급 통로가 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전해질 막은 양이온 교환막인 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 전극의 표면에는 산화 및 환원 반응을 위한 백금, 이리듐, 루테늄, 니켈 중 어느 하나의 촉매가 코팅되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 전류 전도판은 상기 전극과 동일한 크기이고, 다공질 또는 메쉬 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
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