KR20170130185A - 전기화학 전지 스택 - Google Patents

전기화학 전지 스택 Download PDF

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Abstract

알칼리 수전해 스택 또는 연료전지 스택에 적합한 전기화학 전지 스택을 제공한다. 전기화학 전지 스택은 서로간 거리를 두고 이격된 한 쌍의 엔드 플레이트와, 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 위치하는 전지 반응부를 포함한다. 전지 반응부는 복수의 막-전극 접합체 및 복수의 막-전극 접합체 각각에 이웃하게 배열된 복수의 세퍼레이터를 포함한다. 복수의 세퍼레이터 중 적어도 하나의 세퍼레이터는 돌출부와 오목부를 포함하고, 어느 한 세퍼레이터의 돌출부는 이웃한 세퍼레이터의 오목부에 끼워진다.

Description

전기화학 전지 스택 {ELECTROCHEMICAL CELL STACK}
본 발명은 전기화학 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알칼리 수전해(alkaline water electrolysis) 스택 또는 연료전지(fuel cell) 스택으로 사용 가능한 전기화학 전지 스택에 관한 것이다.
알칼리 수전해 장치는 알칼리 수용액을 전기분해하여 수소와 산소를 발생시킨다. 연료전지는 산소와 수소를 공급받아 전기를 생산한다. 알칼리 수전해 장치와 연료전지는 모두 전기화학 전지에 속하며, 멤브레인 종류와 촉매 물질 및 전기화학 반응이 상이할 뿐 기본적으로 동일 또는 유사한 스택 구성을 가진다.
전기화학 전지 스택은 복수의 단위 셀과, 복수의 단위 셀의 최외곽에 위치하는 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함한다. 복수의 단위 셀은 막-전극 접합체와 세퍼레이터로 이루어진 단위 셀이 복수개로 적층된 구성으로 이루어진다. 막-전극 접합체는 이온 교환막인 멤브레인과, 멤브레인의 양측에 밀착된 한 쌍의 전극(애노드 전극 및 캐소드 전극)을 포함한다.
전기화학 전지 스택을 제조하는 과정에서 복수의 세퍼레이터는 틀어짐 없이 정확하게 정렬되어야 한다. 이를 위해 세퍼레이터의 가장자리에 홀을 형성하고, 이 홀에 막대를 끼워 복수의 세퍼레이터를 적층한 다음 막대를 제거하는 방법이 주로 사용되고 있다. 그러나 이 경우 막대를 제거하는 과정에서 세퍼레이터가 틀어져 얼라인(align) 정밀도가 저하될 수 있다.
또한, 전기화학 전지 스택에는 높은 체결 압력이 가해지므로, 엔드 플레이트는 체결 압력에 휘어지지 않는 높은 강성을 가져야 한다. 따라서 엔드 플레이트는 주로 스테인리스 강과 같은 금속판 또는 두꺼운 플라스틱판으로 형성되는데, 이는 전기화학 전지 스택을 무겁게 만드는 요인이 된다.
또한, 종래의 엔드 플레이트는 단열 기능이 거의 없으므로 엔드 플레이트와 가까운 단위 셀들은 외부 온도의 영향을 많이 받게 된다. 예를 들어, 저온 환경에서 엔드 플레이트와 가까운 단위 셀은 중앙에 위치하는 단위 셀보다 낮은 온도를 가지며, 이는 성능 저하로 이어진다.
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 복수의 세퍼레이터의 얼라인 정밀도를 높이고, 강성 저하 없이 엔드 플레이트의 무게를 줄이며, 엔드 플레이트의 단열 성능을 높일 수 있는 전기화학 전지 스택을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기화학 전지 스택은 서로간 거리를 두고 이격된 한 쌍의 엔드 플레이트와, 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 위치하는 전지 반응부를 포함한다. 전지 반응부는 복수의 막-전극 접합체 및 복수의 막-전극 접합체 각각에 이웃하게 배열된 복수의 세퍼레이터를 포함한다. 복수의 세퍼레이터 중 적어도 하나의 세퍼레이터는 돌출부와 오목부를 포함하고, 어느 한 세퍼레이터의 돌출부는 이웃한 세퍼레이터의 오목부에 끼워진다.
돌출부와 오목부는 각각 세퍼레이터의 일면과 반대면에 복수개로 형성될 수 있으며, 복수의 오목부는 복수의 돌출부와 같은 위치에 형성될 수 있다.
세퍼레이터는 막-전극 접합체와 마주하는 제1 영역 및 제1 영역 외측의 제2 영역으로 구분될 수 있고, 복수의 돌출부와 복수의 오목부는 제2 영역에 형성될 수 있다.
다른 한편으로, 세퍼레이터는 도전판과, 막-전극 접합체의 가장자리를 둘러싸는 절연 프레임을 포함할 수 있다. 도전판은 막-전극 접합체와 마주하는 제1 영역과, 절연 프레임과 마주하는 제2 영역을 포함할 수 있다.
복수의 돌출부와 복수의 오목부는 절연 프레임에 형성될 수 있고, 도전판의 제2 영역에 복수의 돌출부와 복수의 오목부를 노출시키기 위한 복수의 개구부가 형성될 수 있다.
복수의 돌출부는 세퍼레이터의 양측에서 비대칭으로 형성될 수 있다. 세퍼레이터의 일측에 형성된 돌출부의 간격 또는 개수는 세퍼레이터의 다른 측에 형성된 돌출부의 간격 또는 개수와 다를 수 있다. 한 쌍의 엔드 플레이트의 적어도 일부는 허니컴 플레이트로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 전기화학 전지 스택은 서로간 거리를 두고 이격되는 한 쌍의 엔드 플레이트와, 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 위치하는 전지 반응부와, 한 쌍의 엔드 플레이트에 결합되어 전지 반응부와 한 쌍의 엔드 플레이트를 가압하는 체결 부재를 포함한다. 엔드 플레이트의 적어도 일부는 허니컴 플레이트로 구성된다. 전지 반응부는 복수의 막-전극 접합체 및 복수의 막-전극 접합체 각각에 이웃하게 배열된 복수의 세퍼레이터를 포함한다.
허니컴 플레이트는 한 쌍의 금속 판재와, 한 쌍의 금속 판재 사이에 위치하는 육각 벌집 모양의 허니컴 코어를 포함할 수 있고, 허니컴 코어는 금속, 플라스틱, 및 카본 섬유 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
엔드 플레이트는 허니컴 플레이트로 구성되거나, 전지 반응부를 향한 내면에 허니컴 플레이트를 배치한 구성이거나, 허니컴 플레이트를 완전히 둘러싸는 구성을 가질 수 있다.
복수의 세퍼레이터 중 적어도 하나의 세퍼레이터는 돌출부와 오목부를 포함할 수 있으며, 어느 한 세퍼레이터의 돌출부는 이웃한 세퍼레이터의 오목부에 끼워질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 돌출부와 오목부의 결합 구조에 의해 복수의 세퍼레이터는 틀어짐 없이 정밀하게 정렬될 수 있으며, 정렬을 위한 별도의 추가 구성품을 필요로 하지 않는다. 또한, 강성 저하 없이 엔드 플레이트의 무게를 효과적으로 줄일 수 있고, 엔드 플레이트의 단열 성능을 높일 수 있다. 따라서 단위 셀들의 온도 편차를 줄여 전지 반응부의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 전기화학 전지 스택 중 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 전기화학 전지 스택 중 세퍼레이터의 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시한 전기화학 전지 스택 중 이웃한 두 세퍼레이터의 체결 부분을 나타낸 확대 사시도이다.
도 5는 도 3에 도시한 세퍼레이터의 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시한 전기화학 전지 스택 중 세퍼레이터의 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시한 전기화학 전지 스택 중 허니컴 플레이트의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 전기화학 전지 스택 중 막-전극 접합체의 단면도이다. 다음에 설명하는 전기화학 전지 스택은 알칼리 수전해 스택 또는 연료전지 스택일 수 있다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 전기화학 전지 스택(100)은 서로간 거리를 두고 이격된 한 쌍의 엔드 플레이트(110)와, 한 쌍의 엔드 플레이트(110) 사이에 위치하는 전지 반응부(120)를 포함한다. 엔드 플레이트(110)는 절연판(130)에 의해 전지 반응부(120)와 절연될 수 있다.
전지 반응부(120)는 직렬로 연결된 복수의 단위 셀로 구성된다. 하나의 단위 셀은 막-전극 접합체(10)와, 막-전극 접합체(10)의 양측에 배치된 두 개의 세퍼레이터(20)를 포함한다. 이때 이웃한 두 개의 막-전극 접합체(10) 사이에 하나의 세퍼레이터(20)가 배치될 수 있으며, 이를 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라 한다.
막-전극 접합체(10)는 이온 교환막인 멤브레인(11)과, 멤브레인(11)의 일측에 밀착된 애노드 전극(12)과, 멤브레인(11)의 타측에 밀착된 캐소드 전극(13)을 포함한다. 애노드 전극(12)과 캐소드 전극(13) 각각은 전도성 다공체로 이루어진 전극 지지체(121, 131)와, 멤브레인(11)을 향한 전극 지지체(121, 131)의 일면에 형성된 촉매층(122, 132)으로 구성된다.
막-전극 접합체(10)는 애노드 및 캐소드 전극(12, 13)의 외측에 배치된 한 쌍의 가스 확산층(14)을 더 포함할 수 있다. 가스 확산층(14)은 전도성 다공체로 형성되며, 세퍼레이터(20)로부터 애노드 및 캐소드 전극(12, 13)으로 공급되는 유체를 고르게 확산시키는 기능을 한다. 막-전극 접합체(10)의 가장자리에 밀봉을 위한 가스켓(15)이 고정될 수 있다.
세퍼레이터(20)는 금속 또는 흑연과 같은 도전판으로 이루어진다. 막-전극 접합체(10)는 세퍼레이터(20)에 의해 견고하게 지지되며, 이웃한 두 개의 막-전극 접합체(10)는 세퍼레이터(20)에 의해 직렬로 연결된다. 세퍼레이터(20)에는 유체 유로(도시하지 않음)가 형성되어 애노드 및 캐소드 전극(12, 13)으로 전기화학 반응에 필요한 유체를 공급한다.
알칼리 수전해 스택의 경우 유체는 알칼리 수용액이고, 연료전지 스택의 경우 유체는 수소와 산소이다. 알칼리 수전해 스택이 음이온 교환막을 포함하는 경우, 알칼리 수용액은 애노드 및 캐소드 전극(12, 13) 모두에 공급되거나 애노드 전극(12)에만 공급될 수 있다. 후자의 경우 캐소드 전극(13)에서 건조한 수소가 발생된다.
알칼리 수전해 스택의 경우 유체는 알칼리 수용액이다. 알칼리 수전해 스택이 음이온 교환막을 포함하는 경우, 알칼리 수용액은 애노드 및 캐소드 전극(12, 13) 모두에 공급되거나, 애노드 전극(12)에만 공급될 수 있다. 후자의 경우 캐소드 전극(13)에서 건조한 수소가 발생된다.
연료전지 스택의 경우 유체는 수소를 포함한 연료가스와, 산소를 포함한 공기이다. 연료가스는 LPG, LNG 등으로부터 개질된 개질가스일 수 있다. 애노드 전극(12)으로 연료가스를 공급하고, 캐소드 전극(13)으로 공기를 공급하면, 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해 전기와 열이 발생한다.
세퍼레이터(20)는 가스켓(15)을 포함한 막-전극 접합체(10)보다 크게(넓게) 형성되며, 이웃한 두 개의 세퍼레이터(20)는 막-전극 접합체(10)의 두께만큼 서로 이격된다. 전지 반응부(120)에는 30개 이상의 단위 셀이 위치한다. 막-전극 접합체(10)와 함께 전지 반응부(120)를 구성하는 복수의 세퍼레이터(20)는 서로간 틀어짐 없이 정밀하게 정렬되어야 한다.
본 실시예에서 복수의 세퍼레이터(20)는 별도의 추가 구성품 없이 그 자체에 체결 구조를 형성하여 이웃한 세퍼레이터(20)와 직접 조립되는 구성으로 이루어진다. 세퍼레이터(20)의 체결 구조는 세퍼레이터(20)의 일면에 형성된 복수의 돌출부(21)와, 세퍼레이터(20)의 반대면에 형성된 복수의 오목부(22)로 이루어진다.
도 3은 도 1에 도시한 전기화학 전지 스택 중 세퍼레이터의 사시도이고, 도 4는 도 1에 도시한 전기화학 전지 스택 중 이웃한 두 세퍼레이터의 체결 부분을 나타낸 확대 사시도이다. 도 3에서 세퍼레이터의 일면과 그 반대면을 같이 도시하였다.
도 1과 도 3 및 도 4를 참고하면, 세퍼레이터(20)는 가스켓(15)을 포함한 막-전극 접합체(10)와 마주하는 제1 영역(중앙 영역)(A10)과, 제1 영역(A10) 외측의 제2 영역(둘레 영역)(A20)으로 구분된다. 세퍼레이터(20) 일면의 제2 영역(A20)에 복수의 돌출부(21)가 형성되고, 세퍼레이터(20) 반대면의 제2 영역(A20)에 복수의 오목부(22)가 형성된다.
복수의 오목부(22)는 복수의 돌출부(21)와 같은 위치에 형성되며, 세퍼레이터(20)의 돌출부(21)는 이웃한 세퍼레이터(20)의 오목부(22)에 끼워져 결합된다. 이러한 돌출부(21)-오목부(22)의 결합 구조에 의해 복수의 세퍼레이터(20)는 틀어짐 없이 정밀하게 정렬될 수 있으며, 정렬을 위한 별도의 추가 구성품을 필요로 하지 않는다.
복수의 세퍼레이터(20) 중 최외곽에 위치하는 어느 하나의 세퍼레이터(20)에는 복수의 돌출부(21)만 형성되고, 다른 하나의 세퍼레이터(20)에는 복수의 오목부(22)만 형성된다. 최외곽에 위치하는 두 개의 세퍼레이터(20)를 제외한 나머지 세퍼레이터(20)에는 복수의 돌출부(21)와 복수의 오목부(22)가 함께 형성된다.
복수의 돌출부(21)와 복수의 오목부(22)는 제2 영역(A20)의 좌측과 우측에 나누어 형성되거나, 상측과 하측에 나누어 형성될 수 있다. 이 경우 복수의 세퍼레이터(20)를 적층할 때 틀어짐을 보다 효과적으로 예방할 수 있다. 도 3에서는 복수의 돌출부(21)와 복수의 오목부(22)가 제2 영역(A20)의 좌측과 우측에 형성된 경우를 예로 들어 도시하였다.
세퍼레이터(20)에는 도시하지 않은 유체 입구와 유체 유로 및 유체 출구가 형성된다. 유체 입구와 유체 출구는 서로 반대측, 예를 들어 대각 방향에 따른 양 끝에 위치할 수 있으며, 유체 유로는 유체 입구와 유체 출구 사이에서 지그재그 패턴으로 형성될 수 있다. 복수의 세퍼레이터(20)는 유체 입구끼리 서로 통하고, 유체 출구끼리 서로 통하도록 적층되어야 한다.
복수의 돌출부(21)와 복수의 오목부(22) 각각은 제2 영역(A20)의 양측(좌측과 우측 또는 상측과 하측)에서 서로 비대칭으로 형성될 수 있다. 여기서, 비대칭은 돌출부(21)간 거리(또는 오목부(22)간 거리)가 다르거나 돌출부(21)의 개수(또는 오목부(22)의 개수)가 다른 것을 의미한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 제2 영역(A20)의 좌측과 우측에 각각 2개의 돌출부(21)가 형성된 경우, 제2 영역(A20) 좌측의 두 돌출부(21)간 거리(d1)는 제2 영역(A20) 우측의 두 돌출부(21)간 거리(d2)와 다를 수 있다.
도 5는 도 3에 도시한 세퍼레이터의 변형예를 나타낸 사시도이다.
도 5를 참고하면, 제2 영역(A20)의 좌측에 형성된 돌출부(21) 및 오목부(22)의 개수는 제2 영역(A20)의 우측에 형성된 돌출부(21) 및 오목부(22)의 개수와 다를 수 있다. 도 5에서는 제2 영역(A20)의 좌측에 3개의 돌출부(21)와 3개의 오목부(22)가 형성되고, 제2 영역(A20)의 우측에 2개의 돌출부(21)와 2개의 오목부(22)가 형성된 경우를 예로 들어 도시하였다.
따라서 복수의 세퍼레이터(20)를 적층하는 과정에서 작업자는 비대칭 배열의 돌출부(21)와 오목부(22)를 이용하여 세퍼레이터(20)의 위치 혼동을 피할 수 있다. 즉, 작업자는 비대칭 배열의 돌출부(21)와 오목부(22)를 이용하여 세퍼레이터(20)의 좌측과 우측 또는 상측과 하측을 정확하게 인식하여 조립 불량을 피할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 단면도이고, 도 7은 도 6에 도시한 전기화학 전지 스택 중 세퍼레이터의 분해 사시도이다.
도 6과 도 7을 참고하면, 제2 실시예의 전기화학 전지 스택(200)에서 세퍼레이터(20A)는 도전판(23)과 절연 프레임(24)의 조합으로 이루어진다. 도전판(23)은 이웃한 두 개의 막-전극 접합체(10) 사이에 위치하고, 절연 프레임(24)은 막-전극 접합체(10)의 가장자리를 둘러싸 밀봉한다. 도전판(23)은 금속판 또는 흑연판일 수 있고, 절연 프레임(24)은 플라스틱 성형품일 수 있다.
도전판(23)은 막-전극 접합체(10) 및 절연 프레임(24)을 합한 것과 같은 크기(면적)로 형성될 수 있다. 도전판(23)은 막-전극 접합체(10)와 마주하는 제1 영역(중앙 영역)(A10)과, 절연 프레임(24)과 마주하는 제2 영역(둘레 영역)(A20)을 포함할 수 있다.
절연 프레임(24)의 일면에 복수의 돌출부(21)가 형성되고, 절연 프레임(24)의 반대면에 복수의 오목부(22)가 형성된다. 그리고 도전판(23)에는 복수의 돌출부(21) 및 복수의 오목부(22)와 마주하는 위치에 복수의 개구부(25)가 형성된다. 개구부(25)는 돌출부(21) 및 오목부(22)보다 크게 형성되어 돌출부(21)가 오목부(22)에 끼워질 때 간섭이 생기지 않도록 한다.
절연 프레임(24)의 돌출부(21)는 도전판(23)의 개구부(25)를 관통하여 이웃한 절연 프레임(24)의 오목부(22)에 끼워진다. 이러한 돌출부(21)-오목부(22)의 결합 구조에 의해 복수의 세퍼레이터(20)는 틀어짐 없이 정밀하게 정렬될 수 있다.
제2 실시예의 전기화학 전지 스택(200)은 세퍼레이터(20A)가 도전판(23)과 절연 프레임(24)의 조합으로 구성되고, 돌출부(21) 및 오목부(22)가 절연 프레임(24)에 형성되며, 도전판(23)에 개구부(25)가 형성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 동일 또는 유사한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 동일한 구성에 대해 중복되는 설명은 생략한다.
전술한 돌출부(21)와 오목부(22)는 금속 또는 흑연 재질보다 플라스틱 재질에 더 쉽게 가공될 수 있다. 제2 실시예에서 절연 프레임(24)은 금형을 이용한 사출 성형으로 제작될 수 있는데, 금형에 돌출부 및 오목부에 대응하는 형상을 가공함으로써 1회의 사출 성형으로 돌출부(21)와 오목부(22)를 가진 절연 프레임(24)을 쉽게 제작할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 단면도이고, 도 9는 도 8에 도시한 전기화학 전지 스택 중 허니컴 플레이트의 사시도이다.
도 8과 도 9를 참고하면, 제3 실시예의 전기화학 전지 스택(300)에서 한 쌍의 엔드 플레이트(110A)는 전지 반응부(120)와 마주하는 일측에 허니컴 플레이트(140)를 배치한 구성으로 이루어진다. 구체적으로, 전지 반응부(120)와 마주하는 엔드 플레이트(110A)의 내면에 오목한 홈부(30)가 형성되고, 이 홈부(30)에 허니컴 플레이트(140)가 안착된다.
허니컴 플레이트(140)는 한 쌍의 판재(41)와, 한 쌍의 판재(41) 사이에 위치하는 육각 벌집 모양의 허니컴 코어(42)로 구성된다. 한 쌍의 판재(41)는 알루미늄, 스테인리스 강 등의 금속으로 형성될 수 있다. 허니컴 코어(42)는 알루미늄, 스테인리스 강 등의 금속, 폴리프로필렌(polyprophlyene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등의 플라스틱, 또는 카본 섬유 등으로 형성될 수 있다.
허니컴 플레이트(140)는 그 내부에 복수의 기공(43)을 형성하며, 기공(43)의 전체 부피는 허니컴 플레이트(140) 부피의 90% 이상을 차지한다. 허니컴 플레이트(140)는 샌드위치 판넬 형상의 복합 재료로서, 휨 강성이 높고, 가벼우며, 높은 단열 성능을 가진다.
한 쌍의 엔드 플레이트(110A)는 체결 부재(150)에 의해 일체로 결합된다. 예를 들어, 체결 부재(150)는 적어도 두 개의 장볼트(51)와 적어도 두 개의 너트(52)로 구성될 수 있다. 각각의 장볼트(51)는 한 쌍의 엔드 플레이트(110A)를 관통하며, 너트(52)에 의해 조여져 한 쌍의 엔드 플레이트(110A)와 전지 반응부(120)에 체결 압력을 가한다.
허니컴 플레이트(140)를 구비한 전기화학 전지 스택(300)은 엔드 플레이트(110A)의 강성을 유지하면서 엔드 플레이트(110A)의 무게를 효과적으로 줄일 수 있다. 또한, 엔드 플레이트(110A)의 단열 성능을 높여 엔드 플레이트(110A)와 가까운 단위 셀들이 외기 온도의 영향을 덜 받도록 할 수 있다. 따라서 전지 반응부(120)의 중앙에 위치하는 단위 셀들과 외곽에 위치하는 단위 셀들간 온도 편차를 줄여 전지 반응부(120)의 성능을 향상시킬 수 있다.
제3 실시예의 전기화학 전지 스택(300)은 엔드 플레이트(110A)의 내측에 허니컴 플레이트(140)가 위치하는 구성을 제외하고 전술한 제1 실시예 또는 제2 실시예와 같은 구성으로 이루어진다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 단면도이다.
도 10을 참고하면, 제4 실시예의 전기화학 전지 스택(400)에서 허니컴 플레이트(140)는 엔드 플레이트(110B)의 내부에 위치한다. 예를 들어, 엔드 플레이트(110B)는 일면에 오목한 홈부가 형성된 두 개의 서브 플레이트로 제작될 수 있다. 허니컴 플레이트(140)는 두 서브 플레이트의 홈부에 안착될 수 있고, 이후 두 개의 서브 플레이트가 일체로 접합되어 엔드 플레이트(110B)를 구성할 수 있다.
제4 실시예의 전기화학 전지 스택(400)은 허니컴 플레이트(140)가 엔드 플레이트(110B)의 내부에 위치하는 것을 제외하고 전술한 제3 실시예와 같은 구성으로 이루어진다.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 전기화학 전지 스택의 단면도이다.
도 11을 참고하면, 제5 실시예의 전기화학 전지 스택(500)에서 엔드 플레이트(110C)는 허니컴 플레이트(140)로 이루어진다. 즉, 엔드 플레이트(110C)는 한 쌍의 판재(41)와, 한 쌍의 판재(41) 사이에 위치하는 육각 벌집 모양의 허니컴 코어(42)로 구성된다.
한 쌍의 판재(41)는 알루미늄, 스테인리스 강 등의 금속으로 형성될 수 있다. 허니컴 코어(42)는 알루미늄, 스테인리스 강 등의 금속, 폴리프로필렌(polyprophlyene, PP), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 등의 플라스틱, 또는 카본 섬유 등으로 형성될 수 있다.
전지 반응부(120)를 구성하는 단위 셀들의 수가 많지 않고 단위 셀들의 면적이 작은 경우, 즉 전기화학 전지 스택이 소형인 경우에는 체결 압력이 높지 않다. 이 경우 허니컴 플레이트(140)를 엔드 플레이트(110C)로 사용할 수 있으며, 이러한 구성은 전기화학 전지 스택(500)의 경량화에 매우 유리하다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200, 300, 400, 500: 전기화학 전지 스택
110, 110A, 110B, 110C: 엔드 플레이트
120, 120A: 전지 반응부 130: 절연판
10: 막-전극 접합체 11: 멤브레인
12: 애노드 전극 13: 캐소드 전극
14: 가스 확산층 15: 가스켓
20: 세퍼레이터 21: 돌출부
22: 오목부 23: 도전판
24: 절연 프레임 25: 개구부
140: 허니컴 플레이트 41: 판재
42: 허니컴 코어 43: 기공

Claims (12)

  1. 서로간 거리를 두고 이격된 한 쌍의 엔드 플레이트, 및
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 위치하고, 복수의 막-전극 접합체 및 복수의 막-전극 접합체 각각에 이웃하게 배열된 복수의 세퍼레이터를 구비한 전지 반응부를 포함하며,
    상기 복수의 세퍼레이터 중 적어도 하나의 세퍼레이터는 돌출부와 오목부를 포함하고, 어느 한 세퍼레이터의 돌출부는 이웃한 세퍼레이터의 오목부에 끼워지는 전기화학 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부와 상기 오목부는 각각 상기 세퍼레이터의 일면과 반대면에 복수개로 형성되며, 상기 복수의 오목부는 상기 복수의 돌출부와 같은 위치에 형성되는 전기화학 전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 막-전극 접합체와 마주하는 제1 영역 및 제1 영역 외측의 제2 영역으로 구분되며, 상기 복수의 돌출부와 상기 복수의 오목부는 상기 제2 영역에 형성되는 전기화학 전지 스택.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 도전판과, 상기 막-전극 접합체의 가장자리를 둘러싸는 절연 프레임을 포함하며,
    상기 도전판은 상기 막-전극 접합체와 마주하는 제1 영역과, 상기 절연 프레임과 마주하는 제2 영역을 포함하는 전기화학 전지 스택.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 돌출부와 상기 복수의 오목부는 상기 절연 프레임에 형성되고, 상기 도전판의 제2 영역에 상기 복수의 돌출부와 상기 복수의 오목부를 노출시키기 위한 복수의 개구부가 형성되는 전기화학 전지 스택.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 돌출부는 상기 세퍼레이터의 양측에서 비대칭으로 형성되는 전기화학 전지 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 세퍼레이터의 일측에 형성된 상기 돌출부의 간격 또는 개수는 상기 세퍼레이터의 다른 측에 형성된 상기 돌출부의 간격 또는 개수와 상이한 전기화학 전지 스택.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트의 적어도 일부는 허니컴 플레이트로 구성되는 전기화학 전지 스택.
  9. 서로간 거리를 두고 이격되며 적어도 일부가 허니컴 플레이트로 구성되는 한 쌍의 엔드 플레이트,
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트 사이에 위치하고, 복수의 막-전극 접합체 및 복수의 막-전극 접합체 각각에 이웃하게 배열된 복수의 세퍼레이터를 구비한 전지 반응부, 및
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트에 결합되어 상기 전지 반응부와 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 가압하는 체결 부재
    를 포함하는 전기화학 전지 스택.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 허니컴 플레이트는 한 쌍의 금속 판재와, 한 쌍의 금속 판재 사이에 위치하는 육각 벌집 모양의 허니컴 코어를 포함하며, 상기 허니컴 코어는 금속, 플라스틱, 및 카본 섬유 중 어느 하나로 형성되는 전기화학 전지 스택.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트는 허니컴 플레이트로 구성되거나, 상기 전지 반응부를 향한 내면에 상기 허니컴 플레이트를 배치한 구성이거나, 상기 허니컴 플레이트를 완전히 둘러싸는 구성을 가지는 전기화학 전지 스택.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 세퍼레이터 중 적어도 하나의 세퍼레이터는 돌출부와 오목부를 포함하고, 어느 한 세퍼레이터의 돌출부는 이웃한 세퍼레이터의 오목부에 끼워지는 전기화학 전지 스택.
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WO2022114672A1 (ko) * 2020-11-30 2022-06-02 서울시립대학교 산학협력단 연료 전지 스택
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