KR20050057048A - 멤브레인 전기화학 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개선된 전기 절연과 감소된 체적을 특징으로하는 멤브레인 전기화학 발전기(100)에 관한 것이다. 상기 멤브레인 전기화학 발전기(100)는 가스 반응물을 공급하게 되고 필터-프레스 형상으로 조립된 다수의 반응 셀(101)을 포함한다. 상기 각각의 반응 셀(101)은 한 쌍의 바이폴라 시트(bipolar sheets)(102)에 의해서 한정되고, 폴리머 재료(polymeric material)로 만들어진 프레임(111)내에서 통합되는 금속 중심 바디(110)에 의해 형성된다. 상기 폴리머 재료는 열가소성(thermoplastic)이나 열경화성(thermosetting) 타입일 수 있으며 상기 프레임(111)은 성형함으로서 상기 금속 중심 바디(110)상에 놓여진다.

Description

멤브레인 전기화학 발전기{MEMBRANE ELECTROCHEMICAL GENERATOR}
본 발명은 무게 감소, 외부 환경에서 전기 절연(insulation) 향상 및 조립의 간소화를 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기(membrane electrochemical generator)에 관한 것이다.
멤브레인 전기화학 발전기에 기초하여 화학 에너지를 전기 에너지로의 변환 과정은 종래 기술에 공지되어 있다. 종래 기술의 멤브레인 전기화학 발전기는 일 예로서 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 전기화학 발전기(1)는 직렬로 서로 연결되고 필터-프레스 배치(filter-press configuration)에 따라 조립된 다수의 반응 셀(reaction cell)(2)에 의해서 형성된다. 각각의 반응 셀(2)은 열 에너지로 완전히 약화(degrading)하지 않는 제 2 가스 반응물(옥시던트(oxidant))을 갖는 제 1 가스 반응물의 반응의 자유로운 에너지를 변환시키며, 그로인해 카놋 사이클(Carnot's cycle)의 제한을 받지 않는다. 연료는 반응 셀(2)의 양극 격실(anode compartment)에 제공되며, 예를 들어 메탄올이나 에탄올과 같은 라이트(light) 알콜 또는 수소를 포함하는 혼합물로 구성되며, 반면에 옥시던트는 대응하는 음극(cathode) 격실에 제공되며 예를 들어 공기나 산소로 구성된다. 상기 연료는 수소(H+) 이온을 동시에 방출하는 양극 격실에서 산화되며, 반면에 옥시던트는 수소(H+) 이온을 소비하는 음극 격실에서 감소된다. 음극 격실로부터 양극을 분리하는 이온-교환(ion-exchange) 멤브레인은 전자의 통로를 방해하면서 양극에서부터 음극 격실까지 수소(H+) 이온의 연속적인 유동을 허용한다. 따라서, 반응 셀(2)의 전극(pole)에서 정해지게 되는 전위(electric potential) 차는 최대화된다.
도 1은 종래 기술에 따른 멤브레인 전기화학 발전기의 제 1 실시예의 분해 측면도.
도 2는 도 1의 멤브레인 전기화학 발전기의 제 2 실시예의 분해 측면도.
도 3은 본 발명에 따른 멤브레인 전기화학 발전기의 실시예의 분해 측면도.
도 4는 도 3의 전기화학 발전기의 부품의 정면도.
도 5a는 도 4의 부품의 섹션 A-A를 따라 취한 단면도.
도 5b는 도 4의 부품의 섹션 B-B를 따라 취한 단면도.
도 6은 도 3의 멤브레인 전기화학 발전기의 부품의 다른 실시예의 정면도.
도 7은 도 6의 부품의 섹션 C-C를 따라 취한 단면도.
도 8은 도 7의 부품의 섹션 D-D를 따라 취한 단면도.
도 9는 도 6의 부품의 또 다른 실시예의 섹션 C-C를 따라 취한 단면도.
도 10은 도 9의 부품의 섹션 E-E를 따라 취한 단면도.
도 11은 도 3의 멤브레인 전기화학 발전기의 부품의 다른 실시예의 정면도.
도 12는 도 11의 섹션 F-F를 따라 취한 부품의 단면.
도 13은 도 12의 부품의 섹션 G-G를 따라 취한 단면도.
보다 상세하게, 각각의 반응 셀(2)은 바깥쪽으로 진행하는 이온-교환 멤브레인(4)을 둘러싸고 있는 한 쌍의 전기 전도성 평면 바이폴라 시트(3)(electrically conductive flat-face bipolar sheets)와; 한 쌍의 다공 전극(porous electrodes)(5)과; 가스 반응물을 동시에 분배하는 동안에 상기 다공 전극(5)에 바이폴라 시트를 전기적으로 연결하는, 미국 특허 5,482,792에 기재된 형태의 그물 모양(reticulated)의 전도성 구성 요소에 의하여 실현되는 한 쌍의 전류 수집기/분배기(7)와; 외부 환경을 향해서 가스 반응물의 누출을 방지하기 위하여 반응 셀(2)의 주변을 밀봉하도록 도입되는 한 쌍의 실링 개스킷(8)에 의해서 한정된다. 바이폴라 시트(3)에서 그리고 각각의 반응 셀(2)의 실링 개스킷(8)에서, 도 1에 도시되지 않는 공급 개구 및 배출 개구가 존재하며, 또한 도 1에 도시되지 않는 분배 채널을 통해서 셀 양극 및 음극 챔버와 소통한다. 상기 분배 채널은 실링 개스킷(8)의 두께내에서 얻게 되는 것이 바람직하며 빗과 같은(comb-like) 구조를 갖는다. 이들은 가스 반응물과 각각의 반응 셀(2)내에서 균일한 방식(uniform fashion)으로 배출물과 선택적으로 혼합되는, 반응 생성물을 분배하고 수집한다. 또한, 상기 바이폴라 시트(3)와 실링 개스킷(8)은 요구되는 작동 온도에서 상기 전기화학 발전기(1)를 유지하는 목적을 갖는 냉각 유체(통상적으로; 탈이온수(deionised water))의 공급 및 배출용 개구를 구비한다. 필터-프레스 형상에서, 상술된 개구 사이의 커플링(coupling)은 가스 반응물을 공급하기 위해서 도입되는 두개의 세로방향 매니폴드와, 배출물과 선택적으로 혼합된 반응 생성물을 배출하기 위해서 도입되는 두개의 세로방향 매니폴드 및 마지막으로 냉매 공급 및 배출 매니폴드의 형성을 결정한다. 상기 셀 반응(2) 조립의 외부에서, 두개의 터미널 플레이트(terminal plate)가 존재하여 상기 전기화학 발전기(1)를 한정하고, 압축 아래에서 다양한 부품을 유지하기 위해서 스프링이나 타이-로드(tie-rod)와 같은 다른 장치들과 협력하는 것을 허용하고, 그로인해 외부 환경에서의 가스 밀봉과 세로방향 전기적 연속성을 보증한다. 상기 두개의 터미널 플레이트(11) 중의 하나는 상술된 세로방향 매니폴드를 외부 회로에 연결하기 위해서, 도 1에 도시되지 않는 노즐을 구비한다. 또한, 양 터미널 플레이트(11) 모두는 전기화학 발전기(1)가 타이트(tightened)되기 위해서 타이-로드(tie-rod)를 둘러싸기에 적합한 홀(또한 도 1에 도시되지 않음)을 구비한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 또한 종래 기술의 전기화학 발전기(1)는 상기 반응 셀(2) 사이에 놓여진 다수의 냉각 셀(20)을 포함할 수 있다. 상기 냉각 셀(20)은 이온-교환 멤브레인(4), 다공 전극(5) 및 촉매 층(6)으로 구성되는 전기화학 패키지를 둘러싸지 않는다는 것을 제외하고는 상기 반응 셀(2)과 비슷하다. 냉매 유동을 대신하게 되는, 상기 냉각 셀(20)은 상술된 수집기(7)와 동등물(equivalent)인 전도성 구성 요소를 포함하며, 이러한 경우에 열 교환 계수(thermal exchange coefficient)를 증가시키는 동안에 두개의 인접한 바이폴라 시트 사이에서 전기적 연속성(continuity)을 수립하기 위해서 도입된다.
종래 기술의 전기화학 발전기(1)는, 하기의 여러 측면에서 잇점이 있지만, 그럼에도 불구하고 몇몇 결점에 의해서 영향을 받는다. 먼저, 비용을 절감하고 취약성(fragility)의 문제를 피하기 위해서, 상기 전기화학 발전기(1)는 예를 들어 그래파이트(graphite)나 공지된 폴리머-그래파이트 복합재보다는 스테인리스 강(stainless steel)으로 만들어진 금속 바이폴라 시트로 조립되는 것이 양호하다. 그러나, 이것은 발전기가 수 많은 구성 요소를 포함하기 때문에, 현저한 무게와 복잡성(complexity)을 야기한다. 또한 수 많은 구성 요소의 사용은 상당한 양의 밀봉부와, 그에 따른 보다 높은 누출의 위험 이외에 높은 실행 시간을 갖고 자동화 되거나 수동으로 조립하는 어려움을 수반하며, 그 양호한 기능상의 중대성(consequences)을 가질 수 있는 부정확함을 갖는다. 상술된 전기화학 발전기의 구조에 관련된 다른 결점들은 외부 환경에서의 전기적 절연의 랙(lack)에 의해서, 특히 상기 세로방향 매니폴드내에서 발생하고 가능한 분로 전류(shunt current)의 발생을 제공하는 언급된 냉매인 유체와 금속의 접촉에 의해서, 그리고 마지막으로 외부 환경에서 상기 발전기에 의해서 생산되는 열 동력(thermal power)의 분산(dispersion)에 의해서 발생한다.
종래 기술의 결점을 극복하는, 금속 바이폴라 시트를 포함하는 멤브레인 전기화학 발전기를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 보다 나은 이해를 위해서, 그 몇몇 실시예들은 단지 예시에만 제한되지 않고 첨부된 도면에서 참조로서 만들어진 바와 같이, 하기에서 설명된다.
도 3은 서로 직렬로 연결되고 필터-프레스 형상으로 조립되며, 그 사이에 놓여지는 냉각 셀(120)을 가지는 다수의 반응 셀(101)에 의해서 형성되는 본 발명의 전기화학 발전기(100)의 실시예를 도시하며, 상기 냉각 셀은 상기 반응 셀과 1:1 비율이며, 도 2의 상술된 냉각 셀(20)과 동등(equivalent)하다. 다른 실시예에서, 이러한 비율은 1:2 또는 1:3과 같이 다를 수 있다. 각각의 반응 셀(101)은 그 사이에 바깥쪽으로 진행하는 이온-교환(ion-exchange) 멤브레인(103)을 포함하는 한 쌍의 평면-바이폴라 시트(102)와; 한 쌍의 다공 전극(porous electrodes)(104)과; 상기 멤브레인(103)과 각각의 다공 전극(104) 사이의 경계면에 놓여지는 한 쌍의 촉매 층(catalytic layers)(105)과; 가스 반응물을 동시에 분배하는 동안에 상기 바이폴라 시트(102)를 상기 다공 전극(104)에 전기적으로 연결하는, 미국 특허 5,482,792호에 기재된 타입의 그물 모양의 금속 요소(reticulated metallic element)에 의하여 실현되는 한 쌍의 전류 수집기/분배기(106)에 의해서 한정된다.
도 4, 5a, 5b에 보다 상세하게 도시된 바와 같이, 바이폴라 시트(102)는 폴리머 재료(polymeric material)(예를 들어 열가소성(thermoplastic) 또는 열경화성(thermosetting) 타입)로 만들어진 프레임(111)에 일체식으로, 반응 셀(101)의 작동 섹션을 약간 넘어서는 크기(dimensions)를 갖는 중심 금속 바디(central metallic body)(110)에 의해서 형성된다. 프레임(111)은 선택적으로 분리된 부분들을, 성형이나 접착함으로서 중심 금속 바디(110)상에 놓여지게 된다. 프레임(111)은 종래 기술의 전기화학 발전기의 실링 개스킷(8)의 모든 기능들을 잇점있게 다루며, 그러므로 생략될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 프레임(111)에는 각각 연료 및 옥시던트인 가스 반응물의 통로용인 제 1 및 제 2 개구(111a1, 111a2)와, 선택적으로 배출물과 혼합된 반응 생성물의 배출용인 제 1 및 제 2 개구(111b1, 111b2)와, 냉각 유체를 공급하고 배출하기 위한 개구(112)가 존재한다. 또한, 프레임(11)은 전기화학 발전기(100)가 타이트닝되기 위해서 타이-로드를 둘러 싸기 위한 다수의 홀(150)을 구비한다.
또한, 프레임(111)에는 모두 프레임 자체의 두께내에서 얻어지는 분배 채널(113a, 113b)(도 5a)과 냉각 채널(114)(도 5b)이 존재한다. 상기 분배 채널(113a와 113b)은 중심 금속 바디(110)와 경계면에 위치하게 되고, 제 1 및 제 2 개구(111a1, 111a2)(이중의 하나만이 도 5a에 도시)와, 각각의 제 1 및 제 2 개구(111b1, 111b2)(이중의 하나만이 도 5a에 도시)를 반응 셀(101)의 내부와 직접 소통하도록 하고, 반면에 냉각 채널(114)은 개구(112)를 냉각 셀(120)의 내부와 소통하도록 한다. 필터-프레스 형상에서, 모든 프레임(111)의 개구(111a1, 111a2)와 개구(111b1, 111b2) 사이의 커플링은 두개의 세로방향 매니폴드(115)와 두개의 세로방향 매니폴드(116)의 각각의 형성을 결정하고, 반면에 간단함을 위하여 도 3에 도시되지는 않지만, 모든 프레임(111)의 개구(112) 사이의 커플링은 또한 관련된 매니폴드의 형성을 결정한다. 그 중의 하나만이 도 3에 도시되는, 상기 두개의 세로방향 매니폴드(115)는 가스 반응물을 공급하기 위해서 도입되고, 도 3에서 단 한번만 도시되는, 상기 두개의 세로방향 매니폴드(116)는 배출물(가스 불활성 물질(gaseous inerts)과 반응물의 미전환 분획(unconverted fraction of reactants))과 선택적으로 혼합된 반응 생성물(물)을 회수하기 위해서 도입되며, 개구(112)의 커플링에 의해서 형성된 매니폴드는 냉각 유체를 공급하고 추출하기 위해서 도입된다.
반응 셀(101) 조립의 외부에서, 두개의 터미널 플레이트(terminal plates)(117)가 존재하는데(도3), 이는 전기화학 발전기(100)를 한정한다. 두개의 터미널 플레이트(117) 중의 하나는 다양한 세로방향 매니폴드를 외부 회로에 하이드로릭(hydraulic)으로 연결하기 위해서 도 3에 도시되지 않는 노즐을 구비한다. 또한, 터미널 플레이트(117) 모두는 타이-로드를 둘러 싸기 위한 적절한 홀(또한 도 3에 도시되지 않음)을 구비한다.
냉각 셀(120)이 반응 셀(101)에 1:1 비율로 놓여지는 경우에, 도 3에 도시된 실시예와 같이, 바이폴라 시트(192)의 중심 금속 바디(110)는 도 6에 도시된 바와 같이, 0.1 내지 5 mm 사이에 포함된 직경을 갖는 다수의 측정 홀(130a, 130b)을 구비할 수 있다. 상기 다수의 측정 홀(130a, 130b)을 통해서, 반응 셀(101)내로 가스 반응물은 유입하고, 반응 생성물 및 배출물은 하기에 보다 상세하게 설명되는 것과 같이, 동일하게 회수된다. 구조적 대안에 있어서, 상기 측정 홀(130a, 130b)은 가스 반응물의 동등한 분배와 생성물의 동등한 회수를 보증하는 목적을 갖고 규칙적으로 변하는 직경을 갖는다. 상기 홀(130a, 130b)은 분배 채널(131, 132)을 포함하는 것에 대향되는 측면상의 프레임(111)의 내부 에지 위와 아래에 각각 위치하게 된다. 프레임(111)의 에지로부터의 홀의 거리는 반응 셀(101) 작동 영역의 보다 나은 이용을 위해서 대략 1 mm 인 것이 양호하다.
도 6의 섹션 C-C를 따라 취한 바이폴라 시트의 측면도가 나타나는 도 7을 참조하면, 프레임(111)에는 냉각 셀(120)에 대향한 측면상에서, 제 1 및 제 2 개구(111a1, 111a2)와 소통하는 가스 반응물(131)의 분배 존과, 제 1 및 제 2 개구(111b1, 111b2)와 소통하는 반응 생성물과 배출물(132)의 수집 존이 존재한다. 가스 반응물(131)의 분배 존과, 반응 생성물과 배출물(132)의 수집 존은 프레임(111)의 두께내에서 모두 얻어진다. 반응 셀(101)의 대향 측면상에서, 프레임(111)은 채널로부터 자유로우며 상기 측면상의 그 두께는 추가적인 제한(constraints)없이 멤브레인-전극-수집기 조립체의 두께의 기능으로서 최대한 활용될 수 있다. 분배(131)와 수집(132) 존은 도 7의 D-D 평면을 따라 취한 바이폴라 시트(102) 단면의 정면도가 도시되는 도 8에 도시되어 있다. 채널(133, 134)은 홀(130a, 130b)의 얼라이먼트(alignment)와 일치한다. 이러한 경우에, 전기화학 발전기(100)는 다음과 같이 작동한다: 세로방향 매니폴드(115)를 통해서 상기 전기화학 발전기(100)에 공급되는 가스 반응물(연료와 옥시던트)은, 상기 분배 존(131)으로 흐른다. 여기에서부터, 상기 가스 반응물은 상기 채널(133)을 가로질러 다수의 측정 홀(130a)을 통해서 흐르며, 상기 반응 셀(101)내로 주입된다. 그 안에 생성된 반응 생성물과 배출물은 다수의 측정 홀(130b)을 통해서 차례대로 통과하며, 채널(134)을 가로질러 전기화학 발전기(100)를 나가는 것을 통해서 수집 존(132)과 매니폴드(116)에 도달한다.
또 다른 실시예에서, 홀(130a)은 상기에서 볼 수 있는 가스 반응물의 주입 대신에 반응 셀내로 물을 직접 주입하기 위해서 사용된다. 이러한 경우에, 상기 주입된 물은 두가지 역할을 하며, 다시 말해서 가스와 멤브레인(103)의 가습(humidification)과, 부분적인 증발에 따른 반응 열의 회수를 제공한다. 증발되지 않은 물은 세로방향 배출 매니폴드와 소통하는 수집 존을 통해서 생성물 및 배출물과 함께 반응 셀로부터 추출된다. 따라서, 홀(130b)은 제거될 수 있다. 상기 반응 셀내로 직접 주입된 물에 의해서 생성된 냉각 효과에 의해서, 냉각 셀(120)에 냉매, 예를 들면 물의 공급은 더 이상 필요하지 않다. 구성 요소(106)를 포함하는 도 3의 구조가 유지될 수 있을지라도, 상기 셀(120)은 두개의 인접한 바이폴라 시트(102)의 금속 바디(110) 사이의 전기적 접촉을 수립하는 단독의 기능을 유지한다. 도 6을 참조하면, 라인 C-C를 따라 취한 단면이 보다 상세하게 도 9에 도시되며, 이전의 도면에서 공통의 부품들은 동일한 참조 번호로 지시되어 있다. 보다 나은 이해를 위해서, 도 9의 라인 E-E를 따라 취한 바이폴라 시트의 단면이 도 10에 도시되며, 여기에서 홀(130a)과 일치하고 상기 홀을 통해서 나오는 물의 주입을 허용하는 채널(135)의 개선 사항이 증명된다. 반응물 가스의 공급과, 생성물과 배출물의 회수는 도 5a에 도시된 바와 같이 채널(113a, 113b)을 통해서 발생한다. 이러한 경우에, 도 5a의 실시예의 경우와 비슷한, 반응 셀 측면상의 개스킷(111)의 두께는, 채널(113a, 113b)을 둘러 싸는 필요성에 의해서 한정되어, 하기의 도 7의 실시예와 같이 자유롭게 최대로 활용될 수는 없다. 본 발명의 다른 실시예에 의해서, 효과적인 직접 물 주입을 동시에 사용하는 이러한 잇점을 다시 갖는 것이 가능하며, 본 발명은 도 7과 도 9에서 도시되는 가스 분배와 물 주입의 두가지 컨셉을 포함하는 프레임 설계를 의지하는 것을 특징으로 한다. 이러한 실시예는 바이폴라 시트(102)의 정면도로서 도 11에 도시되며, 이전 도면에서의 공통의 부품들은 동일한 참조 번호로서 지시되어 있다. 이를 알 수 있듯이, 중심 금속 바디(110)는 가스 반응물 공급용인 두줄(double row)의 홀(130a)과 물 주입용 홀(136)을 구비하며, 반응 생성물, 배출물 및 잔여 물의 회수를 위해서 도입된 한줄(single row)의 홀(130b)을 각각 구비한다. 보다 나은 이해를 위하여, 라인 F-F를 따라 취한 프레임(111)의 섹션은 상기 홀(136)을 통해서 반응 셀내로 주입될 물의 분배 채널(135)의 섹션을 도시하는 도 12에 도시된다. 도 12의 라인 G-G를 따라 취한 바이폴라 시트의 추가적인 섹션의 정면도는 도 13에 도시되어 있다. 상술된 본 발명으로 얻게 되는 잇점은 하기와 같다:
a) 본 발명에 따른 전기화학 발전기의 무게 감소: 본 발명에 따라 만들어진 전기화학 발전기는 반응 셀 작동 섹션보다 다소 큰 크기를 갖는 금속 부분을 갖는 바이폴라 시트의 사용을 제공하며, 반면에 종래 기술의 금속 바이폴라 시트는 상기 발전기의 전체 정면 섹션과 실질적으로 일치하는 크기를 갖는다; 이러한 변경에 기인한 예상되는 무게 감소는 대략 30%이다.
b) 본 발명에 따른 전기화학 발전기를 구성하는 부품의 수 감소: 부품 수의 감소는 조립을 위한 시간의 감소와 관련된 비용의 감소의 조건에서 뛰어난 잇점을 수반하며, 게다가 에러의 발생을 감소시킨다. 예를 들면, n 반응 셀을 포함하는 도 2의 종래 기술에 따른 발전기의 조립은 전체 5 x n 부품을 위해서 3 x n 개스킷과 2 x n 바이폴라 플레이트가 필요하다(변경되지 않고 남아 있는 전기화학 패키지에 관한 부품을 고려하지 않음); 도 3의 실시예에 따른 본 발명의 전기화학 발전기(100)를 사용함으로써, 단지 2 x n 부품이 필요하게 된다.
c) 밀봉부(seals) 수의 감소: 다양한 재료로 만들어진 다수의 부품의 조립에서 누설이 없는(leak-free) 밀봉을 보증하는 것은 발전기의 구성 동안에 직면하게 될 중요한 문제 중의 하나이고, 이러한 문제점은 항상 바로 해결(straightforward resolution)되지 않는다. n 반응 셀을 갖는 도 2의 종래 기술의 발전기의 조립은 5 x n 밀봉된 표면을 수반하지만, 본 발명에 따른 바이폴라 시트가 사용될 때에 2 x n 으로 감소된다.
d) 보다 나은 부품의 얼라이먼트(alignment)와 센트링(centring): 본 발명에 따른 바이폴라 시트는 상술된 바와 같이, 발전기의 조립 동안에 부품 얼라이먼트를 향상시키게 되며, 이는 부품의 양이 상당히 감소하게 되고 폴리머 프레임은 종래 기술에서 발생하는 것과는 반대로, 자동적으로 바른 위치에 있기 때문이며, 조립하는 부품은 다수이고 상기 바이폴라 시트에 고정되지 않는 개스킷의 위치 결정은 확실히 어렵다. 또한 전기화학 발전기의 다른 구성 요소( 전류 수집기/분배기, 전극과 멤브레인)의 센트링은 상기 프레임(111)에 의해서 한정되는 사전배치된 위치의 존재에 의해서 보다 간단하게 만들어진다.
e) 개선된 외부 전기적 절연: 본 발명에 따른 바이폴라 시트는 열 동력(thermal power)의 분산(dispersion)을 감소시키면서 외부 환경으로부터 발전기를 전기적으로 절연하는 것을 허용한다.
f) 공급 및 배출 매니폴드에서 금속에 접촉하는 유체가 없음: 금속 부품이 전기화학 발전기내에서 사용될 때에 다른 관련된 문제점은 부식(corrosion)의 위험을 감소시키고 분로(shunt) 전류를 억압하기 위해서 유체(가습화된 가스 반응물, 냉매)와 금속의 대부분의 접촉을 감소시키시 위해서 노력하는 것이다. 본 발명에 따른 바이폴라 시트의 사용은 가습화된 가스 반응물의 공급 및 배출 매니폴드와 냉매의 공급 및 배출 매니폴드로부터 모두 금속 부품을 제거하는 것을 허용하며, 이는 이러한 모든 덕트(ducts)가 상기 폴리머 프레임내에서 얻어지기 때문이다.
분배와 수집을 위한 홀을 선택적으로 구비하고 다른 개구와 채널을 합체하는 플라스틱 재료의 프레임과 일체식으로 되는 중심 금속 바디로 구성하는 본 발명의 바이폴라 시트의 생산은 하기에 설명되는 만든 방법 중의 하나로 달성된다.
- 열가소성 재료의 경우에 선택적인 냉각 이후에 또는 열경화성 재료의 경우에 중합(polycerisation)의 완성 이후에, 적합한 반응물을 여과하고 일체식 프레임을 형성하기 위해서 플라스틱 재료를 성형하는, 금속 바디에 다양한 채널의 섹션으로서 형성된 여과 가능한 구성 요소의 적용. 충분한 여과 가능한 재료는 가성 소다(caustic soda)로서 쉽게 용해되는 알루미늄이다. 프레임의 플라스틱 재료는 기계적 특성, 특히 작동 온도와 통상적인 작동 압력 상태 아래에서, 실질적으로 변화가 없는 다양한 채널의 통로 섹션을 유지하기에 적합한 오랜 기간에서 최소한의 변형성을 반드시 가져야한다.
- 일체식 프레임을 형성하기 위해서 플라스틱 재료를 성형함으로서 뒤따르는 금속 바디상에 필요한 채널의 형태를 갖는 예비성형된(preform) 구성 요소의 적용. 예비성형된 재료는 금속, 양호하게는 스테인레스 강, 또는 플라스틱으로 만들어 질 수 있다. 예비성형된 구성 요소의 압축에서 기계적인 탄성이 높은 경우에, 프레임 재료를 위한 낮은 변형성의 상기 제한(constraint)은 극복하게 된다.
- 예를 들면, 각각 상기 프레임의 표면을 구성하고 그 자신의 채널을 포함하는 두개의 섹션에서, 선택적으로 성형하는 프레임의 예비-성형과 채널의 통로 섹션에 어떠한 손상도 방지하기 위한, 열 결합이나 양호하게는 적합한 접착제로 접착함으로서 금속 바디로 조립. 상기 프레임 재료의 섹션은 이러한 경우에 노출되고, 게다가 최소한의 변형의 제한, 또한 그 사이에서 얇은 필름 접착제가 바람직한 상업용 접착제를 갖는 적합성(compatibility).
선택적으로 놓여진 접착제를 갖는, 금속 바디와 프레임 재료 사이의 접착을 향상시키기 위해서, 금속 바디는 마이크로-러프(micro-rough)와 화학적 반응 표면을 생산하는 목적을 갖는, 샌드블라스팅(sandblasting) 및/또는 화학적 침식(chemical attacks)과 같이 사전-처리되는 것이 바람직하다. 금속 바디와 프레임 사이에 접착을 추가하기 위해서 동등하게 도입되는 추가적인 수단은, 주변 존에 개구를 갖는 금속 바디를 제공하는 것으로 구성될 수 있으며, 프레임 재료는 성형 단계 동안에 침투할 수 있으며, 그로인해 프레임 자체의 두 표면 사이에서 연속성을 수립한다.
상기 설명은 본 발명을 제한하는 것은 아니지만, 첨부된 청구항에 의해서 단독으로 규정된 범위로부터 일탈하지 않고 다른 실시예에 따라서 실행될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
본 출원의 설명과 청구항에서, 용어 "포함한다(comprise)"와 "포함하는(comprising)"과 "포함한다(comprises)"와 같은 그 변경은 다른 구성 요소나 추가적인 부품의 존재를 배제하도록 의도하지는 않는다.

Claims (28)

  1. 가스 반응물로 공급되고 필터-프레스(filter-press) 형상으로 조립되는 다수의 반응 셀(reaction cell)을 포함하고, 상기 반응 셀의 각각은 바이폴라 시트(bipolar sheets)에 의해서 한정되는 멤브레인 전기화학 발전기(membrane electrochemical generator)에 있어서,
    상기 바이폴라 시트는 폴리머(polymeric) 재료로 만들어지고, 분배 및 수집 채널을 포함하는 프레임내에서 일체식으로 되는 금속 중심 바디(metallic central body)에 의해서 형성되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 폴리머 재료는 열가소성(thermoplastic) 타입인 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 폴리머 재료는 열경화성(thermosetting) 타입인 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프레임은 성형(moulding)함으로써 상기 중심 금속 바디와 일체식이 되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 금속 중심 바디는 분배 및 수집 채널의 형태를 갖는 여과 가능한 구성 요소(leachable elements)를 사전에 구비하며, 상기 여과 가능한 구성 요소는 상기 성형 이후에 반응물로 용해되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 여과 가능한 구성 요소는 알루미늄으로 만들어지고, 상기 반응물은 가성 소다(caustic soda)인 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 금속 바디는 상기 분배 및 수집 채널의 형태를 갖는 예비성형된 구성 요소(preformed element)를 사전에 구비하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 예비성형된 구성 요소는 금속이나 플라스틱으로 만들어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 금속은 스테인리스 강(stainless steel)인 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  10. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프레임은 상기 분배 및 수집 채널을 포함하는 두 개의 예비성형된 구성품으로 구성되는 상기 금속 중심 바디와 일체식인 것을 특징으로하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 각각의 두개의 예비성형된 구성품은 상기 프레임의 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 두 구성품은 서로 조립되고, 열 결합이나 접착제로 접착함으로서 상기 금속 중심 바디와 조립되는 것을 특징으로하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  13. 제 4항 또는 제 12항에 있어서, 상기 금속 중심 바디는 샌드블라스팅(sandblasting) 및/또는 화학적 침식(chemical attacks)에 의해서 얻게되는 마이크로-러프(micro-rough) 및/또는 화학적 반응 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  14. 제 4항에 있어서, 상기 금속 중심 바디는 상기 성형된 프레임의 접착을 증진하기에 적합한 주변 존(zone)에서 개구를 구비하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프레임은 상기 가스 반응물의 통로용인 제 1 및 제 2 공급 개구와, 배기물과 선택적으로 혼합된 상기 반응 생성물의 회수용인 제 1 및 제 2 배출 개구와, 냉매를 공급하고 추출하기 위한 개구를 포함하며, 상기 개구는 분배 및 수집 채널과 소통하게 되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  16. 제 15항에 있어서, 필터-프레스 형상에서, 상기 프레임의 개구 사이의 커플링은 세로방향 공급 매니폴드의 형성을 결정하고, 상기 배출 개구 사이의 커플링은 세로방향 방출 매니폴드의 형성을 결정하며, 냉매를 공급하고 추출하기 위한 상기 개구 사이의 커플링은 상기 냉매를 순환시키기 위한 매니폴드의 형성을 결정하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 프레임은 상기 전기화학 발전기의 타이트닝(tightening)을 달성하기 위해서 타이-로드를 둘러 싸기 위한 다수의 홀을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  18. 제 1항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, 발전기는 상기 반응 셀 사이에 놓여지는 다수의 냉각 셀을 포함하고, 각각의 냉각 셀은 상기 한 쌍의 바이폴러 시트에 의해서 한정되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  19. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 중심 바디는 상기 가스 반응물의 통로용인 다수의 제 1 측정 홀과, 반응 생성물과 선택적인 배출물의 방출용인 다수의 제 2 측정 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  20. 제 19항에 있어서, 상기 제 1 측정 홀은 상기 프레임의 상기 분배 채널에 대응하여 서로 정렬되어 위치하게 되고, 상기 제 2 측정 홀은 상기 프레임의 상기 수집 채널에 대응하여 서로 정렬되어 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  21. 제 19항 또는 제 20항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 측정 홀은 상기 프레임의 내부 에지로부터 대략 1 mm로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  22. 제 19항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 측정 홀은 0.1 mm 내지 5 mm 사이에 포함되는 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  23. 제 1항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 중심 바디는 상기 반응 셀내로 물을 주입하기 위한 다수의 정렬된 측정 홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 정렬된 측정 홀은 추가적인 물 분배 채널에 대응하여 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  25. 제 23항에 있어서, 상기 정렬된 측정 홀은 상기 프레임의 내부 에지로부터 대략 1 mm로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  26. 제 1항 내지 18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심 바디는 상기 가스 반응물 분배용인 다수의 정렬된 측정 홀과, 물 주입용인 다수의 정렬된 측정 홀과, 상기 생성물, 배출물과 주입된 잔여 물(water)을 회수하기 위한 다수의 정렬된 측정 홀을 포함하며, 상기 측정 홀의 각각은 상기 분배 채널 또는 상기 수집 채널 중의 하나에 대응하여 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  27. 제 26항에 있어서, 가스 반응물을 분배하기 위한 상기 정렬된 측정 홀과, 상기 생성물, 배출물과 주입된 잔여 물(water)을 배출하기 위한 상기 정렬된 측정 홀은 상기 프레임의 내부 에지로부터 대략 1mm로 이격 배치되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전기화학 발전기.
  28. 첨부된 도면을 참고로하여 실질적으로 상술된 멤브레인 전기화학 발전기.
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