KR20060095177A - 비전도성 분리판을 구비한 전기화학 단위 셀 및 이를 이용한 전기화학 셀 조립체 - Google Patents

비전도성 분리판을 구비한 전기화학 단위 셀 및 이를 이용한 전기화학 셀 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전기화학 단위 셀은, 전해질 막의 양 표면에 촉매가 코팅되어 전극이 각각 형성된 막전극접합체(410, MEA)와, 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 막전극접합체를 기준으로 배열되는 패킹(460), 분리판(440, 450) 및 프레임을 포함하며, 분리판을 비전도성 재질로 구성하고, 막전극접합체와 상기 분리판의 사이에 각각 위치하여 막전극접합체에 외부 전류를 인가하거나 외부 전류로 인출하며 막전극접합체에서 생성된 전자의 이동경로 역할을 하는 한 쌍의 전류 전도판(420, 430)을 포함한다. 본 발명은 MEA를 중심으로 양측에 전자의 이동경로 역할을 하는 전류 전도판을 배치하여 전자의 이동경로가 짧아짐에 따라 높은 전기에너지를 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 발명은 분리판을 비전도성의 플라스틱 재질로 구성하여도 무방함에 따라 전체 중량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 고가의 전도성 물질인 탄소 및 복합체를 이용하지 않아도 됨에 따라 비용을 혁신적으로 절감하는 원가절감의 효과를 얻을 수 있다.

Description

비전도성 분리판을 구비한 전기화학 단위 셀 및 이를 이용한 전기화학 셀 조립체{Electrochemical unit cell and electrochemical cell assembly with non-conductive separator}
도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기화학 셀의 개념도이고,
도 2는 연료전지를 구성하는 전형적인 단위 셀의 구성관계를 도시한 개략도이고,
도 3은 연료전지를 구성하는 전형적인 셀 조립체의 구성관계를 도시한 개략도이고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 비전도성 분리판을 구비한 전기화학 단위 셀의 구성관계를 도시한 개략도이고,
도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 전기화학 단위 셀을 구성하는 전류 전도판의 구성관계를 도시한 평면도이고,
도 6은 도 4에 도시된 바와 같이 구성된 전기화학 단위 셀을 다수 개 적층하여 구성한 본 발명에 따른 단극식 전기화학 셀 조립체의 구성관계를 도시한 개략도이며,
도 7 및 도 8은 도 4에 도시된 바와 같이 구성된 전기화학 단위 셀을 다수 개 적층하여 구성한 본 발명에 따른 복극식 전기화학 셀 조립체의 구성관계를 각각 도시한 개략도이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
400 : 단위 셀 410 : 막전극접합체
411 : 전해질 막 412, 413 : 전극
420, 430 : 전류 전도판 421 : 전극 반응부
422 : 연결부 422a : 공급통로
423 : 전류 전도부 423a : 접속부
440, 450 : 분리판 460 : 패킹
500, 600, 700 : 전기화학 셀 조립체
본 발명은 전기화학 셀에 관한 것이며, 특히, 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)를 중심으로 양측에 전자의 이동경로 역할을 하는 전류 전도판을 배치하고, 분리판을 비전도성의 플라스틱 재질로 구성한 비전도성 분리판을 구비한 전기화학 단위 셀 및 이를 이용한 전기화학 셀 조립체에 관한 것이다.
전기화학 셀은 일반적으로 물과 같은 원료를 이용하여 가스를 만드는 전기분해 셀과, 연료를 이용하여 전기를 생산하는 연료전지 등에 이용된다. 즉, 전기화학 셀은 에너지변환 장치로서, 전기분해 셀과 연료전지로 구분된다. 전기분해 셀 은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소와 산소를 발생하며, 연료전지는 이와 반대로 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 얻어내는 장치이다.
예를 들어, 수소이온 교환막 전기분해 셀(proton exchange membrane electrolysis cell)은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 기능을 한다. 도 1은 물을 전기화학적으로 분해하여 수소가스와 산소가스를 생산하는 전형적인 전기분해 셀의 개념도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 물(H20)은 양극(110)(산소극)으로 공급되어 산소가스(O2)와 전자(e-) 그리고 수소이온(H+)(프로톤)으로 분해된다. 이 때, 물(H20)의 일부분은 산소가스(O2)와 함께 전기분해 셀(100)의 외부로 유출된다. 그리고 분해된 수소이온(H+)은 수소이온 교환막(120)을 통과하여 음극(130)(수소극)으로 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 전기화학적 반응을 표현하면 반응식 1, 2와 같다.
2H2O → 4H+ + 4e- + O2 (양극)
4H+ + 4e- → 2H2 (음극)
연료전지는 상기와 같은 물의 전기분해 반응 메커니즘과 반대로 반응이 일어난다. 즉, 연료전지에서는 수소, 메탄올(methanol) 또는 다른 수소 연료원과 산소가 반응하여 전기를 생산한다. 이 때, 연료전지에서 일어나는 일반적인 반응을 표현하면 반응식 3, 4와 같다.
2H2 → 4H+ + 4e- (양극)
4H+ + 4e- + O2 → 2H2O (음극)
만약, 전기화학 셀이 물을 분해하는 전기분해 셀로 이용된다면 약 0.05A/cm2 - 4.3A/cm2의 전류밀도와 약 1.48volts - 3.0 volts의 전압이 인가되고, 연료전지로 이용된다면 약 0.0001A/cm2 - 10A/cm2의 전류밀도와 약 0.4volts - 1volts의 전압이 인출되어, 가스 또는 연료전지를 각각 생산한다.
이 같은 전기화학 셀은 양극과 음극을 갖는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, 이하 'MEA'라 칭함), 전자와 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 배열된 프레임, 분리판, MEA 지지체 및 가스켓(패킹) 등으로 구성된다.
도 2는 연료전지를 구성하는 전형적인 단위 셀의 구성관계를 도시한 개략도이다. 도 2에 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(도시 안됨)으로 구성된다. 그리고 전극(212, 213)과 분리판(240, 250)의 사이에는 전극(212, 213)과 동일한 크기로 형성되어 원료 등을 MEA(210)에 균등하게 공급하는 다공판(도시 안됨)이 더 설치되기도 한다. 상기 MEA(210)의 전해질 막(211)과 패킹(220, 230) 및 분리판(240, 250)의 상하단에는 공기 또는 연료가 공급되는 공급통로가 각각 형성된다.
그리고 분리판(240, 250)에는 반응물 및 생성물의 유체가 유동하는 유동통로(241, 251)가 각각 형성된다. 이 때, 일측 분리판(240)의 유동통로(241)에는 연료가 유동하고, 그에 따라 이와 접촉하는 MEA(210)의 전극(212)이 연료극(산화전극, 양극, Anode이 됨. 따라서 도면부호 212는 전극 또는 연료극으로 병행하여 병기함)이 되며, 타측 분리판(250)의 유동통로(251)에는 공기가 유동하고, 그에 따라 이와 접촉하는 MEA(210)의 전극(213)이 공기극(환원전극, Cathode, 음극이 됨. 따라서 도면부호 213은 전극 또는 공기극으로 병행하여 병기함)이 된다.
도 3은 연료전지를 구성하는 전형적인 셀 조립체의 구성관계를 도시한 개략 도이다. 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 앤드 플레이트(320, 프레임)를 위치시킨 후, 볼트(330)와 너트(340)로 조이는 타이로드 방식으로 조립하여 구성한다. 이 때, 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. 상기 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 단위 셀(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 전기화학 반응이 일어나게 된다. 이 때, 전류는 전류 공급판(310) 또는 앤드 플레이트(320)를 통해 인가 또는 인출된다. 그리고 각 단위 셀(200)의 분리판(240, 250)과 MEA(210)사이에 패킹(220, 230)이 각각 삽입되어 있어 유체의 외부 누설을 방지한다.
그러나 상기와 같은 일반적인 전기화학 셀은 전기화학 반응에 의해 생성되는 전자가 다수의 구성요소들(예를 들어, 전극과 분리판)을 통과하는 등 접촉점이 증 가하고, 또한 접촉점들이 외부의 타이로드 방식의 느슨한 기계적인 압착으로 이루어진다. 즉, 종래의 전기화학 셀은 타이로드 방식으로 단위 셀의 외부를 조여 주게 되고, 그에 따라 내부가 들뜸으로 인해 접촉점들이 느슨해지게 된다.
따라서 연료전지의 경우에는 전압의 강하가 심하게 되어 전력 손실이 발생하고, 전기분해 셀의 경우에는 접촉저항에 의한 전압상승이 일어나 과다한 전력이 소모되는 단점이 있다.
또한, 종래의 전기분해 셀은 전자가 이동 가능한 전도성 물질인 탄소 및 복합체로 분리판을 구성하되, 구조체의 안정성을 고려하여 그 두께가 최소한 0.125인치 이상이 되도록 구성하여야 한다. 따라서 종래의 전기분해 셀은 분리판이 두꺼워짐에 따라 전체 중량이 증가할 뿐만 아니라 제조단가가 상승하는 문제점이 있다. 더욱이 전기화학 셀을 자동차 등의 이동장치에 이용할 경우 충격과 진동으로 인해 탄소판이 파손될 우려 또한 있다.
따라서 본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, MEA를 중심으로 양측에 전자의 이동경로 역할을 하는 전류 전도판을 배치하고, 분리판을 비전도성의 플라스틱 재질로 구성함으로써, 저중량의 저렴한 가격에 높은 전기에너지를 얻을 수 있는 비전도성 분리판을 구비한 전기화학 단위 셀 및 이를 이용한 전기화학 셀 조립체를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 전해질 막의 양 표면에 촉매 가 코팅되어 전극이 각각 형성된 막전극접합체와, 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 상기 막전극접합체를 기준으로 배열되는 패킹, 분리판 및 프레임을 포함하는 전기화학 단위 셀에 있어서, 상기 분리판을 비전도성 재질로 구성하고, 상기 막전극접합체와 상기 분리판의 사이에 각각 위치하여 상기 막전극접합체에 외부 전류를 인가하거나 외부 전류로 인출하며 상기 막전극접합체에서 생성된 전자의 이동경로 역할을 하는 한 쌍의 전류 전도판을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 전해질 막의 양 표면에 촉매가 코팅되어 전극이 각각 형성된 막전극접합체와, 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태의 패킹, 및 분리판을 순차적으로 다수개 적층하고, 양 단부를 프레임으로 고정하여 구성한 전기화학 셀 조립체에 있어서, 상기 분리판을 비전도성 재질로 구성하고, 상기 막전극접합체와 상기 분리판의 사이에 각각 위치하여 상기 막전극접합체에 외부 전류를 인가하거나 외부 전류로 인출하며 상기 막전극접합체에서 생성된 전자의 이동경로 역할을 하는 다수개의 전류 전도판과, 상기 다수개의 전류 전도판을 전기적으로 접속하는 접속부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아래에서, 본 발명에 따른 비전도성 분리판을 구비한 전기화학 단위 셀 및 이를 이용한 전기화학 셀 조립체의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 비전도성 분리판을 구비한 전기화학 단위 셀의 구성관계를 도시한 개략도이고, 도 5a 및 도 5b는 도 4에 도시된 전기화학 단위 셀을 구성하는 전류 전도판의 구성관계를 도시한 평면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 전기화학 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), 두 쌍의 패킹(460), 한 쌍의 분리판(440, 450) 및 프레임(도시 안됨)으로 구성된다.
이러한 MEA(410)의 전해질 막(411), 전류 전도판(420, 430), 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 발명의 MEA(410)는 높은 전기화학적 반응 활성을 갖는다. 이 때, 전극(412, 413)은 접촉저항 및 물질전달 저항을 최소화할 수 있도록 촉매를 얇고 균일하게 도포하여 형성하는 것이 바람직하다.
그리고 전류 전도판(420, 430)은 MEA(410)에 외부 전류를 인가하거나 MEA(410)에서 외부 전류로 인출하는 역할을 한다. 또한, MEA(410)의 전기화학 반응으로부터 발생한 전자가 이동하는 경로역할을 하는 것으로서, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 전극 반응부(421), 연결부(422) 및 전류 전도부(423)로 구성된다. 이 때, 연결부(422)는 전극 반응부(421)의 둘레를 따라 일정 폭으로 형성되고, 전류 전도부(423)는 연결부(422)의 일부분에 돌출하여 형성된다. 상기 전극 반응부(421), 연결부(422) 및 전류 전도부(423)는 일체의 판으로 구성하거나 서로 분리된 판을 접합하여 구성하면 된다.
전극 반응부(421)는 분리판(440, 450)으로 유입되는 반응물을 MEA(410)로 확산하고, MEA(410)의 전기화학 반응에 의한 생성물을 분리판(440, 450)으로 확산하는데 돕는 역할을 한다. 이 때, 전극 반응부(421)는 MEA(410)의 전극(412, 413)과 동일 크기로 제작하되, 다공 또는 메쉬 형태로 제작하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 전극 반응부(421)가 다공판일 경우 두께가 1mm 이하인 원형판 또는 사각판을 이용하는 것이 바람직하다.
연결부(422)는 전극 반응부(421)의 둘레를 따라 일정 폭으로 형성되어 패킹(460) 및 분리판(440, 450)과 밀착하여 위치하는 부분으로서, 공기 또는 연료가 공급되는 다수의 공급통로(422a)를 갖는다.
전류 전도부(423)는 연결부(422)의 일부분에 돌출 형성되어, MEA(410)의 전기화학 반응에 의해 생성된 전자의 이동경로 역할을 하는 것으로서, 접속부재인 전선을 연결하기 위한 다수의 접속부(423a)를 갖는다. 도 4의 전기화학 단위 셀(400)에서 한 쪽의 전류 전도판(420)의 전류 전도부(422)에는 +극이 접속되고, 다른 쪽의 전류 전도판(430)의 전류 전도부에는 -극이 접속된다. 따라서 전기화학 단위 셀(400)의 전기화학 반응에서 생성된 전자가 전류 전도판(420, 430)을 따라 이동하기 때문에, 종래의 전기화학 셀과 같이 전극 및 분리판을 통과하는 것보다 그 이동경로가 짧게 된다.
상기와 같이 구성된 전류 전도판(420, 430)은 제작하고자 하는 전기화학 단 위 셀(400)의 형태에 따라 도 5a와 같은 원형 형태로 제작하거나 도 5b와 같은 사각 형태로 제작한다. 이 때, 전류 전도부(423)는 전극 반응부(421)의 재질과 동일하거나, 전도성이 우수한 재료를 용접하여 이용할 수 있다. 이런 전류 전도부(423)의 재료로는 티타늄, 스테인리스 스틸, 백금, 은 또는 구리 등의 전도성이 우수한 금속으로 코팅한 티타늄, 스테인리스 스틸 등이 바람직하며, 백금이 도금된 스테인리스 스틸이 더욱 바람직하다.
본 발명의 분리판(440, 450)은 상기와 같은 전류 전도판(420, 430)을 통해 전자가 이동하기 때문에, 전도성을 가지지 않는 일반 플라스틱 재질의 판으로 구성하여도 무방하다. 즉, 발명의 분리판(440, 450)은 가공성이 우수하고 가격이 매우 저렴한 플라스틱 성형품으로 구성하여도 무방하다. 이러한 분리판(440, 450)의 재료로는 피브시(PVC), 아크릴(Acryl, PMMA), 폴리아세탈(PolyAcetal), 테프론(Teflone), 설폰(Sulfone) 등이 바람직하며, 이중 폴리설폰이 가장 바람직하다. 또한 분리판(440, 450)은 상기 재질을 하나 이상 혼합한 혼합물로 제작된다. 이 때, 분리판(440, 450)은 전기화학 단위 셀(400)의 운전온도, 운전압력 등에 따라 그 재질이 달라질 수 있다.
그리고 분리판(440, 450)에는 반응물과 생성물의 유체가 유동하는 유동통로(441, 451)가 각각 형성된다. 이 때, 일측 분리판(440)의 유동통로(441)에는 연료가 유동하고, 그에 따라 이와 접촉하는 MEA(410)의 전극(412)이 연료극(산화전극, 양극, Anode)이 되며, 타측 분리판(450)의 유동통로(451)에는 공기가 유동하고, 그에 따라 이와 접촉하는 MEA(410)의 전극(413)이 공기극(환원전극, Cathode, 음극) 이 된다.
도 6은 도 5에 도시된 바와 같이 구성된 전기화학 단위 셀을 다수 개 적층하여 구성한 본 발명에 따른 단극식 전기화학 셀 조립체의 구성관계를 도시한 개략도이다. 도 4, 도 5a 및 도 6에 도시된 바와 같이, 단극식 전기화학 셀 조립체(500)는 도 4와 같이 구성되는 단위 셀(400)이 일렬로 다수 개 적층되는 형태를 갖도록 배열하고, 외측 양쪽에 한 쌍의 전류 공급판(590) 및 앤드 플레이트(도시 안됨, 프레임)를 각각 위치시킨 후, 한 쌍의 앤드 플레이트를 볼트와 너트로 조이는 타이로드 방식으로 조립하여 구성한다.
이 때, 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)이 순차적으로 일렬로 대수 개 적층하되, 전류 전도판(420)의 전류 전도부(423)가 교대로 서로 반대방향을 향하도록 적층한다.
따라서 단극식 전기화학 셀 조립체(500)의 내부에는 단위 셀(400)을 구성하는 구성요소들의 상하단에 각각 형성되는 연료 또는 공기 공급통로를 통해 연료극(412)으로 연료를 공급하는 연료 공급라인(550)과, 공기극(413)으로 공기를 공급하는 공기 공급라인(560)이 각각 형성된다. 그리고 서로 반대방향으로 교대로 적층되는 전류 전도판(420, 430)의 접속부(423a) 및 전류 공급판(590)에는 외부의 전류공급기에 접속된 전선(570, 580, 일명, 접속부재)이 볼트 및 너트에 의해 연결된다. 이 때, 한 쪽의 전류 전도판(420)에 접속된 전선(570)에는 -극이 접속되고, 다른 쪽의 전류 전도판(430)에 접속된 전선(580)에는 +극이 접속된다. 본 발명은 전류 전도판(420, 430)과 전류 공급판(590)이 볼트 및 너트 조임으로 전선(570, 580)을 통해 각각 연결되기 때문에 단위 셀(400)의 구성요소들 간에 견고한 결합구조를 갖는다.
따라서 연료 공급라인(550)과 공기 공급라인(560)으로 연료와 공기가 공급되면, 각 단위 셀(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 전기화학 반응이 일어나게 된다. 그리고 전기화학 반응에 의해 생성되는 전자는 전류 전도판(420, 430)에 접속된 전선(570, 580)을 따라 이동한다.
상기와 같은 단극식 전기화학 셀 조립체(500)는 전지로 비유를 하면 병렬 구조를 갖기 때문에 고전류, 저전압의 전기에너지의 발생(또는 소비)의 특성을 갖는다.
도 7은 도 4에 도시된 바와 같이 구성된 전기화학 단위 셀을 다수 개 적층하여 구성한 본 발명에 따른 복극식 전기화학 셀 조립체의 구성관계를 도시한 개략도이다. 도 4, 도 5a 및 에 도시된 바와 같이, 복극식 전기화학 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(도시 안됨)를 각각 위치시킨 후, 한 쌍의 앤드 플레이트를 볼트와 너트로 조이는 타이로드 방식으로 조립하여 구성한다.
이 때, 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)을 순 차적으로 일렬로 대수 개 적층하되, 전류 전도판(420, 430)의 전류 전도부(423) 끼리는 각각 동일 방향을 향하도록 적층한다.
따라서 복극식 전기화학 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. 그리고 동일 방향으로 적층되는 한 쌍의 전류 전도판(420, 430)의 접속부(423a), 접속부(423a)와 전류 공급판(690)에는 외부의 전류공급기에 접속된 전선(670)이 볼트 및 너트에 의해 연결된다. 즉, 분리판(440 또는 450)을 기준으로 양 측에 각각 위치하는 한 쌍의 전류 전도판(420, 430)을 서로 연결한다. 이 때, 전선(670)의 일단에는 -극이 접속되고, 타단에는 +극이 접속된다. 본 발명은 전류 전도판(420, 430)과 전류 공급판(690)이 볼트 및 너트 조임으로 전선(670)을 통해 연결되기 때문에 단위 셀(400)의 구성요소들 간에 견고한 결합구조를 갖는다.
따라서 연료 공급라인(650)과 공기 공급라인(660)으로 연료와 공기가 공급되면, 각 단위 셀(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 전기화학 반응이 일어나게 된다. 그리고 전기화학 반응에 의해 생성되는 전자는 전류 전도판(420, 430)에 접속된 전선(670)을 따라 이동한다.
상기와 같은 단극식 전기화학 셀 조립체(600)는 전지로 비유를 하면 직렬 구조를 갖기 때문에 저전류, 고전압의 전기에너지의 발생(또는 소비)의 특성을 갖는 다.
도 8은 도 4에 도시된 바와 같이 구성된 전기화학 단위 셀을 다수 개 적층하여 구성한 본 발명에 따른 복극식 전기화학 셀 조립체의 구성관계를 도시한 개략도이다. 도 4, 도 5a 및 도 8에 도시된 복극식 전기화학 셀 조립체(700)는 다수개 적층되는 한 쌍의 전류 전도판(420, 430)이 상호 접촉하도록 그 일측을 절곡하고, 그 접촉상태를 유지하도록 접속부(423a) 끼리, 접속부(423a)와 전류 공급판(690)을 볼트 및 너트로 체결하여, 일단에 -극을 접속하고 타단에 +극을 접속한다는 것을 제외하고는 도 7과 동일하게 구성된다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 MEA를 중심으로 양측에 전자의 이동경로 역할을 하는 전류 전도판을 배치하여 전자의 이동경로가 짧아짐에 따라 높은 전기에너지를 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 분리판을 비전도성의 플라스틱 재질로 구성하여도 무방함에 따라 전체 중량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 고가의 전도성 물질인 탄소 및 복합체를 이용하지 않아도 됨에 따라 비용을 혁신적으로 절감하는 원가절감의 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명의 비전도성 분리판을 구비한 전기화학 단위 셀 및 이를 이용한 전기화학 셀 조립체에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
또한 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않고 첨부한 특허청구의 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (7)

  1. 전해질 막의 양 표면에 촉매가 코팅되어 전극이 각각 형성된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)와, 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태로 상기 막전극접합체를 기준으로 배열되는 패킹, 분리판 및 프레임을 포함하는 전기화학 단위 셀에 있어서,
    상기 분리판을 비전도성 재질로 구성하고,
    상기 막전극접합체와 상기 분리판의 사이에 각각 위치하여 상기 막전극접합체에 외부 전류를 인가하거나 외부 전류로 인출하며 상기 막전극접합체에서 생성된 전자의 이동경로 역할을 하는 한 쌍의 전류 전도판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 단위 셀.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전류 전도판은 상기 막전극접합체의 전극과 접촉하는 전극 반응부와, 상기 전극 반응부의 일측 둘레에 돌출 형성되며 전류를 인가 또는 인출하는 접속부를 갖는 전류 전도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 단위 셀.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리판은 피브시(PVC), 아크릴(Acryl, PMMA), 폴리아세탈(PolyAcetal), 테프론(Teflone), 설폰(Sulfone), 이중 폴리설폰 중 어느 하나의 재질 또는 두개 이상의 혼합물로 제작된 것을 특징으로 하는 전기 화학 단위 셀.
  4. 전해질 막의 양 표면에 촉매가 코팅되어 전극이 각각 형성된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly)와, 반응물 및 생성물의 공급과 배출이 가능한 형태의 패킹, 및 분리판을 순차적으로 다수개 적층하고, 양 단부를 프레임으로 고정하여 구성한 전기화학 셀 조립체에 있어서,
    상기 분리판을 비전도성 재질로 구성하고,
    상기 막전극접합체와 상기 분리판의 사이에 각각 위치하여 상기 막전극접합체에 외부 전류를 인가하거나 외부 전류로 인출하며 상기 막전극접합체에서 생성된 전자의 이동경로 역할을 하는 다수개의 전류 전도판과, 상기 다수개의 전류 전도판을 전기적으로 접속하는 접속부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 조립체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전류 전도판은 상기 막전극접합체의 전극과 접촉하는 전극 반응부와, 상기 전극 반응부의 일측 둘레에 돌출 형성되며 전류를 인가 또는 인출하는 접속부를 갖는 전류 전도부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 조립체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다수개의 전류 전도판은 그 전류 전도부가 교대로 서로 다른 방향을 향하도록 적층하고, 상기 접속부재는 동일 방향의 전류 전도판들을 각각 접속하여 각각의 단극을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 조립체.
  7. 제5항에 있어서, 상기 다수개의 전류 전도판은 그 전류 전도부가 동일 방향을 향하도록 적층하고, 상기 접속부재는 상기 분리판을 기준으로 양 측에 각각 위치하는 한 쌍의 전류 전도판을 서로 접속하여 각각의 복극을 형성하는 것을 특징으로 하는 전기화학 셀 조립체.
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