KR20230001448A - 전기 화학 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 화학 장치에 관한 것으로, 제1반응영역 및 제2반응영역이 정의된 분리판; 제1반응영역에 대응되게 마련되는 제1반응층; 제2반응영역에 대응되게 마련되는 제2반응층; 제1반응층과 제2반응층의 경계를 따라 분리판의 일면에 돌출되게 형성되며, 제1반응영역과 제2반응영역을 서로 연통되게 연결하는 제1연결유로를 포함하는 제1격벽부; 및 제1격벽부의 단부에 마련되며, 제1반응층과 제2반응층의 사이를 밀폐하는 제1실링부재;를 포함하는 것에 의하여, 반응층의 사이즈를 증가시키지 않고 반응영역을 확장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

전기 화학 장치{ELECTROCHEMICAL DEVICE}
본 발명의 실시예는 전기 화학 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 반응층의 사이즈를 증가시키지 않고 반응영역을 확장할 수 있는 전기 화학 장치에 관한 것이다.
지구온난화와 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지의 연구개발에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있는 가운데 실용 가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 대안으로 수소 에너지가 주목 받고 있다.
특히, 수소는 높은 에너지 밀도를 가지며 그리드 규모로 응용하기에 적합한 특성을 가짐으로 인해 미래 에너지 캐리어로서 각광 받고 있다.
전기 화학 장치 중 하나인 수전해 스택(water electrolysis stack)은, 물을 전기 화학적으로 분해하여 수소와 산소를 생산하는 장치로서, 수십 또는 수백 개의 수전해 셀(단위 셀)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.
수전해 셀은, 반응층 및 반응층의 양면을 덮도록 마련되는 분리판(애노드 분리판 및 캐소드 분리판)을 포함하여 구성된다.
보다 구체적으로, 반응층은, 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 막전극접합체의 일면에 마련되는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 막전극접합체의 다른 일면에 마련되는 물질전달층(PTL: Porous Transport Layer)을 포함할 수 있다.
한편, 수전해 스택에 인가되는 전압(V)은 수전해 셀의 개수(적층 개수) 증가에 비례하여 증가하고, 수전해 스택에 인가되는 전류(I)는 수전해 셀의 반응면적(전기 화학 반응 면적)의 증가에 비례하여 증가하는 특성을 갖는다.
최근에는 수전해 스택에 인가되는 전력(P=V×I)을 변화시키지 않으면서, 수전해 셀의 개수를 줄이고, 수전해 셀의 반응면적을 증가(확장)시키기 위한 다양한 시도가 행해지고 있다.
그러나, 수전해 셀의 반응면적을 증가시키기 위해서는, 분리판 뿐만 아니라, 반응층(막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층)의 사이즈를 모두 증가(대면적화)시킬 수 있어야 하는데, 금속판을 기반으로 제작됨으로 인해 대면적화가 용이한 분리판과 달리, 반응층은 대면적화(사이즈 증가)가 매우 어려운 문제점이 있다.
즉, 반응층을 구성하는 막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층은, 강성이 낮은 특성을 갖고 매우 얇은 두께를 가짐으로 인해, 막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층의 면적(사이즈)이 증가할수록, 막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층이 쉽게 휘어지거나 부서지는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 반응층의 면적(사이즈)이 증가하면, 이를 가공하는 가공 장비 역시 대형화되어야 함에 따라, 가공 장비의 처짐 및 오차 등이 커지는 문제점이 있고, 이로 인해 막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층의 영역별(위치별)로 두께 편차가 발생하고, 안전성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
더욱이, 막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층의 면적(사이즈)을 증가시키기 위해서는, 매우 큰 가공 장비 및 공간이 요구되므로, 설계자유도 및 공간활용성이 저하되고 원가가 증가하는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 수전해 셀의 변형 및 손상을 최소화하면서 반응영역을 확장하기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 반응층의 사이즈를 증가시키지 않고 반응영역을 확장할 수 있는 전기 화학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층의 사이즈를 증가시키지 않고도, 전기 화학 반응을 위한 반응영역을 확장할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 반응층의 변형 및 손상을 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 구조 및 제작 공정을 간소화할 수 있으며, 원가를 절감할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 설계자유도 및 공간활용성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 서로 동일한 구조를 갖는 한 종류의 분리판을 이용하여 캐소드 분리판 및 애노드 분리판을 모두 구현할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 제품의 경량화 및 소형화에 기여할 수 있으며, 제조 원가를 절감할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 분리막의 위치 편차를 최소화하고 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 분리판에서의 접촉저항 발생을 억제하고 전자의 이동 특성 및 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
실시예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 제1반응영역 및 제2반응영역이 정의된 분리판; 제1반응영역에 대응되게 마련되는 제1반응층; 제2반응영역에 대응되게 마련되는 제2반응층; 제1반응층과 제2반응층의 경계를 따라 분리판의 일면에 돌출되게 형성되며, 제1반응영역과 제2반응영역을 서로 연통되게 연결하는 제1연결유로를 포함하는 제1격벽부; 및 제1격벽부의 단부에 마련되며, 제1반응층과 제2반응층의 사이를 밀폐하는 제1실링부재;를 포함한다.
이는, 반응층의 사이즈를 증가시키지 않고 반응영역을 확장하기 위함이다.
즉, 전기 화학 장치의 반응면적을 증가시키기 위해서는, 분리판 뿐만 아니라, 반응층(막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층)의 사이즈를 모두 증가(대면적화)시킬 수 있어야 하는데, 금속판을 기반으로 제작됨으로 인해 대면적화가 용이한 분리판과 달리, 반응층은 대면적화(사이즈 증가)가 매우 어려운 문제점이 있다.
특히, 반응층을 구성하는 막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층은, 강성이 낮은 특성을 갖고 매우 얇은 두께를 가짐으로 인해, 막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층의 면적(사이즈)이 증가할수록, 막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층이 쉽게 휘어지거나 부서지는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
한편, 비교적 작은 사이즈(예를 들어, 분리막보다 작은 사이즈)를 갖는 복수개의 반응층을 조합(배치)함으로써, 반응층의 사이즈를 증가시키지 않고도, 전기 화학 장치(단위 셀)의 전체 반응영역(반응면적)을 확장하는 것도 가능하다.
그런데, 서로 인접한 반응층의 경계가 밀폐되지 않으면, 반응층의 경계에서 서로 다른 반응유체(예를 들어, 애노드 반응면의 물 및 캐소드 반응면의 수소)가 뒤섞이게 되므로, 서로 인접한 반응층의 경계가 밀폐될 수 있어야 한다.
그러나, 서로 인접한 반응층이 독립적으로 밀폐됨에 따라, 각 반응층에는 물이 유입되는 입구 매니폴드 유로, 물이 배출되는 출구 매니폴드 유로, 및 수소가 배출되는 수소 매니폴드 유로가 각각 개별적으로 마련되어야 하므로, 각 반응층의 유효 반응영역(실제 전기 화학 반응이 발생하는 부위의 면적)은, 반응층의 총 면적에서 입구 매니폴드 유로, 출구 매니폴드 유로, 및 수소 매니폴드가 차지하는 면적을 제외한 면적으로 정해지게 된다.
다시 말해서, 반응층의 유효 반응면적은, 반응층의 총 면적에서 각 매니폴드 유로(입구 매니폴드 유로, 출구 매니폴드 유로, 수소 매니폴드)가 차지하는 면적을 제외한 면적으로 결정되므로, 각 매니폴드 유로가 차지하는 면적이 커질수록 반응층의 유효 반응면적이 줄어들게 된다.
하지만, 본 발명의 실시예는 제1반응층과 제2반응층의 경계를 따라 형성되는 제1격벽부에 제1연결유로를 마련하는 것에 의하여, 제1반응영역과 제2반응영역을 서로 연통되게 연결할 수 있으므로, 제1반응영역 및 제2반응영역에 각각 모든 종류의 매니폴드 유로(예를 들어, 입구 매니폴드 유로 및 출구 매니폴드 유로)를 형성하지 않고, 특정 매니폴드 유로 만을 형성하는 것이 가능하다.
가령, 제1반응영역 및 제2반응영역 중 어느 하나에는 입구 매니폴드 유로(예를 들어, 제1매니폴드 유로)만을 형성하고, 제1반응영역 및 제2반응영역 중 나머지 하나에는 출구 매니폴드 유로(예를 들어, 제2매니폴드 유로)만을 형성하는 것에 가능하다.
이와 같이, 제1반응영역 및 제2반응영역에 각각 여러 종류의 매니폴드 유로를 모두 형성하지 않고, 여러 종류의 매니폴드 유로 중 일부 매니폴드 유로만을 형성하는 것에 의하여, 제1반응층과 제2반응층에서 매니폴드 유로가 차지하는 면적을 저감시킬 수 있으므로, 제1반응층과 제2반응층의 사이즈를 증가시키지 않고도, 제1반응층과 제2반응층의 유효 반응영역을 보다 확장시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 전기 화학 장치의 반응면적을 확장하기 위하여, 반응층의 사이즈를 증가시키지 않아도 되므로, 반응층의 변형 및 손상을 최소화할 수 있고, 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 분리판의 일면에는 제1반응유체가 이동하는 제1채널이 마련되고, 분리판의 다른 일면에는 제2반응유체가 이동하는 제2채널이 마련될 수 있다.
이는, 단 하나의 분리판으로 캐소드 분리판 및 애노드 분리판의 역할을 모두 수행하기 위함이다.
즉, 기존에는 서로 다른 구조를 갖는 캐소드 분리판 및 애노드 분리판을 각각 마련하고, 서로 인접한 반응층의 사이에 2개의 분리판(캐소드 분리판 및 애노드 분리판)을 적층시켜야 함에 따라, 구조 및 제작공정을 간소화하기 어렵고, 전기 화학 장치의 전체 중량을 저감시키기 어려운 문제점이 있다.
더욱이, 전기 화학 장치에서 발생한 전자는 분리판을 따라 이동하게 되는데, 기존에는 서로 인접한 반응층의 사이에 2개의 분리판이 밀착되게 적층됨에 따른 접촉저항의 증가로 인해, 전자의 이동 특성이 저하되고 전기 화학 장치의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 분리판의 일면에 제1채널(예를 들어, 물 채널)이 마련하고, 다른 일면에 제2채널(예를 들어, 수소 채널)을 마련하는 것에 의하여, 서로 다른 2개의 분리판을 적층(밀착)시키기 않고도, 단 한 하나의 분리판만으로 캐소드 분리판 및 애노드 분리판의 역할을 수행하는 것이 가능하다. 따라서, 구조 및 제작공정을 간소화할 수 있으며, 전기 화학 장치(10)의 전체 중량을 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예는 서로 인접한 반응층의 사이에 단 하나의 분리판만을 배치하면 되므로, 분리판 간의 접촉에 따른 접촉저항의 발생을 원천적으로 차단할 수 있다. 따라서, 전기 화학 장치에서 전자의 이동 특성을 보장하고 전기 화학 장치의 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제1반응층 및 제2반응층은 반응유체의 전기 화학 반응을 유발할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있다.
바람직하게, 제1반응층 및 제2반응층은 분리판보다 작은 사이즈를 갖도록 제공된다.
일 예로, 제1반응층은, 제1막전극접합체, 제1막전극접합체의 일면에 밀착되는 제1가스확산층, 제1막전극접합체의 다른 일면에 밀착되는 제1물질전달층, 및 제1막전극접합체의 둘레를 따라 형성되는 제1가스켓을 포함할 수 있고, 제2반응층은, 제2막전극접합체, 제2막전극접합체의 일면에 밀착되는 제2가스확산층, 제2막전극접합체의 다른 일면에 밀착되는 제2물질전달층, 및 제2막전극접합체의 둘레를 따라 형성되는 제2가스켓을 포함할 수 있으며, 제1실링부재는 제1가스켓과 제2가스켓의 경계 부위를 덮도록 마련될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 제1실링부재에 돌출 형성되는 제1결합돌기, 및 제1격벽부에 형성되며 제1결합돌기가 수용되는 제1결합홈을 포함할 수 있다.
이와 같이, 제1실링부재에 제1결합돌기를 마련하고, 제1결합돌기를 제1격벽부에 형성된 제1결합홈에 결합하는 것에 의하여, 제1실링부재의 이탈 및 변형을 억제할 수 있으므로, 제1실링부재의 배치 상태를 안정적으로 유지하고, 제1실링부재에 의한 실링 성능을 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 제1반응층과 제2반응층의 경계를 따라 분리판의 다른 일면에 돌출되게 형성되며 제1반응영역과 제2반응영역을 서로 연통되게 연결하는 제2연결유로를 포함하는 제2격벽부, 및 제2격벽부의 단부에 마련되며, 제1반응층과 제2반응층의 사이를 밀폐하는 제2실링부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 제2실링부재에 돌출 형성되는 제2결합돌기, 및 제2격벽부에 형성되며 제2결합돌기가 수용되는 제2결합홈을 포함할 수 있다.
이와 같이, 제2실링부재에 제2결합돌기를 마련하고, 제2결합돌기를 제2격벽부에 형성된 제2결합홈에 결합하는 것에 의하여, 제2실링부재의 이탈 및 변형을 억제할 수 있으므로, 제2실링부재의 배치 상태를 안정적으로 유지하고, 제2실링부재에 의한 실링 성능을 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 분리판의 제1반응영역에 마련되는 제1매니폴드 유로, 및 제2반응영역에 마련되는 제2매니폴드 유로를 포함할 수 있고, 제1매니폴드 유로에 유입된 제1반응유체는 제1반응영역 및 제2반응영역을 거친 후 제2매니폴드 유로를 통해 배출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 제1반응영역 및 제2반응영역 중 적어도 어느 하나에 형성되는 제3매니폴드 유로를 포함할 수 있고, 제2반응유체는 제3매니폴드 유로를 통해 배출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 분리판의 가장자리를 따라 마련되며, 제1반응층 및 제2반응층과 분리판의 사이를 밀폐하는 가장자리 실링부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 제1반응층과 제2반응층의 경계를 따라 분리판의 다른 일면에 돌출되게 형성되며 제1반응영역과 제2반응영역을 차단하는 제2격벽부; 및 제2격벽부의 단부에 마련되며 제1반응층과 제2반응층의 사이를 밀폐하는 제2실링부재;를 포함하는 것도 가능하다.
이와 같이, 연결유로가 형성되지 않은 연속적인 격벽 구조로 제2격벽부를 형성하는 것에 의하여, 체결압(복수개의 단위 셀을 체결하는 체결압)이 인가될 시, 제2실링부재가 제1가스켓과 제2가스켓의 경계 부위를 누르는 가압력을 전체적으로 균일하게 형성할 수 있으므로, 제2실링부재에 의한 기밀 성능(제1반응층과 제2반응층의 사이 틈새를 밀폐하는 성능)을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2실링부재에는 제2결합돌기가 형성될 수 있고, 제2격벽부에는 제2결합돌기가 수용되는 제2결합홈이 형성될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 반응층의 사이즈를 증가시키지 않고 반응영역을 확장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 막전극접합체, 가스확산층 및 물질전달층의 사이즈를 증가시키지 않고도, 전기 화학 반응을 위한 반응영역을 확장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 제1반응영역과 제2반응영역의 사이에 매니폴드 유로를 형성하지 않아도 되므로(제1반응영역과 제2반응영역의 사이에서의 공간 손실을 최소화할 수 있으므로), 반응층의 사이즈를 증가시키지 않고도 반응영역을 보다 확장시키는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 반응층의 변형 및 손상을 최소화하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 구조 및 제작 공정을 간소화할 수 있으며, 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 설계자유도 및 공간활용성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 서로 동일한 구조를 갖는 한 종류의 분리판을 이용하여 캐소드 분리판 및 애노드 분리판을 모두 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 제품의 경량화 및 소형화에 기여할 수 있으며, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 분리막의 위치 편차를 최소화하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 분리판에서의 접촉저항 발생을 억제하고 전자의 이동 특성 및 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제1반응영역 및 제2반응영역을 설명하기 위한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제1반응층을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제2반응층을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제1격벽부 및 제2격벽부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제1반응유체 및 제2반응유체의 유동 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 12 내지 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제2격벽부의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술사상은 설명되는 일부 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술사상 범위 내에서라면, 실시예들간 그 구성요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성요소와 그 다른 구성요소 사이에 있는 또 다른 구성요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속'되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성요소가 두 개의 구성요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 14를 참조하면, 전기 화학 장치(10)는, 제1반응영역(ERZ1) 및 제2반응영역(ERZ2)이 정의된 분리판(100); 제1반응영역(ERZ1)에 대응되게 마련되는 제1반응층(210); 제2반응영역(ERZ2)에 대응되게 마련되는 제2반응층(220); 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 경계를 따라 분리판(100)의 일면에 돌출되게 형성되며, 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)을 서로 연통되게 연결하는 제1연결유로(112)를 포함하는 제1격벽부(110); 및 제1격벽부(110)의 단부에 마련되며, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐하는 제1실링부재(310);를 포함한다.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치(10)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 반응유체의 전기 화학 반응을 유발하기 위해 사용될 수 있으며, 전기 화학 장치(10)에서 사용되는 반응유체의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치(10)는, 물을 전기 화학 반응(Electrochemical Reaction)으로 분해하여 수소와 산소를 생산하는 수전해 스택(water electrolysis stack)으로 사용될 수 있다.
수전해 스택(전기 화학 장치)은, 복수개의 단위 셀을 기준 적층 방향(예를 들어, 도 1을 기준으로 상하 방향)으로 적층하여 마련될 수 있다.
보닥 구체적으로 단위 셀은, 반응층(제1반응층 및 제2반응층), 반응층(제1반응층 및 제2반응층)의 양면에 각각 적층되는 분리판(100)을 포함할 수 있으며, 복수개의 단위 셀을 기준 적층 방향으로 적층한 후, 그 양단에 엔드플레이트(미도시)를 체결함으로써 수전해 스택을 구성할 수 있다.
분리판(100)은 반응층과 함께 하나의 단위 셀(수전해 셀)을 이루도록 마련되며, 반응층에 의해 분리된 수소와 물을 차단하는 역할 외에, 수소와 물의 이동을 위한 유로(Flow Field)를 확보하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 분리판(100)은 단위 셀에서 발생된 열을 단위 셀 전체에 분배하는 역할도 수행할 수 있고, 과도하게 발생된 열은 분리판(100)을 따라 이동하는 물에 의해 외부로 배출될 수 있다.
분리판(100)은, 수전해 스택에서 물과 공기의 유로(채널)를 독립적으로 형성하는 분리판 또는 분리판의 역할을 모두 수행하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 분리판(100)의 일면에는 제1반응유체(RF1)가 이동하는 제1채널(102)이 마련되고, 분리판(100)의 다른 일면에는 제2반응유체(RF2)가 이동하는 제2채널(104)이 마련될 수 있다.
제1채널(102) 및 제2채널(104)은 전기 화학 반응을 위한 반응 영역을 정의한다.
보다 구체적으로, 제1채널(102)은 애노드 채널 및 캐소드 채널 중 어느 하나를 정의하고, 제2채널(104)은 애노드 채널 및 캐소드 채널 중 다른 하나를 정의할 수 있다. 일 예로, 제1채널(102)은 애노드 채널을 정의할 수 있고, 제2채널(104)은 캐소드 채널을 정의할 수 있다.
분리판(100)은 제1채널(102) 및 제2채널(104)을 갖는 다양한 구조 및 재질로 형성될 수 있으며, 분리판(100)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 분리판(100)은 대략 사각 플레이트 형태로 형성될 수 있고, 제1채널(102) 및 제2채널(104)은 분리판(100)의 대략 중앙부에 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 분리판을 원형 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 분리판(100)은 박막 금속(예를 들어, 티타늄, 스테인리스, 인코넬, 알루미늄)으로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분리판을 흑연 또는 탄소복합소재 등과 같은 여타 다른 재질로 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1채널(102) 및 제2채널(104)은 기설정된 방향(예를 들어, 도 2를 기준으로 상하 방향)을 따라 직선 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 기설정된 방향에 대해 경사지게 제1채널 및 제2채널을 형성하거나, 제1채널 및 제2채널을 서로 교차하는 방향으로 형성하는 것도 가능하다. 다르게는 제1채널 및 제2채널을 곡선 형태로 형성하는 것도 가능하다.
제1채널(102) 및 제2채널(104)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 형성될 수 있다.
일 예로, 제1채널(102) 및 제2채널(104)은 분리판(100)의 일부를 식각하여 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분리판의 일부를 부분적으로 프레스 가공하거나, 절삭 가공 등에 의해 분리판의 표면을 절삭하여 분리판에 제1채널 및 제2채널을 형성하는 것도 가능하다.
분리판(100)은 제1반응층(210) 및 제2반응층(220)을 사이에 두고 제1채널(102)과 제2채널(104)이 서로 마주하도록 반응층의 양면에 각각 개별적으로 적층된다.
일 예로, 도 1을 참조하면, 제1반응층(210) 및 제2반응층(220)의 상부 및 하부에는 각각 동일한 구조를 갖는 분리판(100)이 적층되되, 반응층의 하부에 배치되는 분리판(100)은 제1채널(102)이 반응층의 저면을 마주하도록 배치될 수 있고, 반응층의 상부에 배치되는 분리판(100)은 제2채널(104)이 반응층의 상면을 마주하도록 배치될 수 있다.
분리판(100)은 제1반응층(210) 및 제2반응층(220)의 상부 및 하부에 각각 마련되어 분리판 및 분리판을 역할을 함께 수행할 수 있다.
예를 들어, 제1반응층(210) 및 제2반응층(220)의 저면(도 1 기준)과 분리판(100)의 일면(도 1 기준으로 상면)의 사이에 마련되는 제1채널(102)을 따라서는 물이 이동할 수 있고, 제1반응층(210) 및 제2반응층(220)의 상면(도 1 기준)과 분리판(100)의 다른 일면(도 1 기준으로 저면)의 사이에 마련되는 제2채널(104)을 따라서는 수소가 이동할 수 있다.
이는, 단 하나의 분리판(100)으로 분리판 및 분리판의 역할을 모두 수행하기 위함이다.
즉, 기존에는 서로 다른 구조를 갖는 분리판 및 분리판을 각각 마련하고, 서로 인접한 반응층의 사이에 2개의 분리판(캐소드 분리판 및 애노드 분리판)을 적층시켜야 함에 따라, 구조 및 제작공정을 간소화하기 어렵고, 전기 화학 장치의 전체 중량을 저감시키기 어려운 문제점이 있다.
더욱이, 전기 화학 장치에서 발생한 전자는 분리판을 따라 이동하게 되는데, 기존에는 서로 인접한 반응층의 사이에 2개의 분리판이 밀착되게 적층됨에 따른 접촉저항의 증가로 인해, 전자의 이동 특성이 저하되고 전기 화학 장치(10)의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 분리판(100)의 일면에 제1채널(102)(예를 들어, 물 채널)이 마련하고, 다른 일면에 제2채널(104)(예를 들어, 수소 채널)을 마련하는 것에 의하여, 서로 다른 2개의 분리판(100)을 적층(밀착)시키기 않고도, 단 한 하나의 분리판(100)만으로 분리판 및 분리판의 역할을 수행하는 것이 가능하다. 따라서, 구조 및 제작공정을 간소화할 수 있으며, 전기 화학 장치(10)의 전체 중량을 저감시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예는 서로 인접한 반응층의 사이에 단 하나의 분리판(100)만을 배치하면 되므로, 분리판(100) 간의 접촉에 따른 접촉저항의 발생을 원천적으로 차단할 수 있다. 따라서, 전기 화학 장치(10)에서 전자의 이동 특성을 보장하고 전기 화학 장치(10)의 효율을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
분리판(100)에는 복수개의 반응영역이 정의된다.
여기서, 반응영역이라 함은, 반응유체(예를 들어, 물)의 전기 화학 반응을 발생시키는 반응층(예를 들어, 제1반응층 및 제2반응층)이 배치되는 영역으로 이해될 수 있다.
분리판(100)에 정의되는 반응영역의 개수 및 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 분리판(100)에 정의되는 반응영역의 개수 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 2를 참조하면, 분리판(100)에는 대략 사각형 형태를 갖는 2개의 반응영역이 상하 방향(도 2 기준)을 따라 정의될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 분리판에 3개 이상의 반응영역을 정의하는 것도 가능하다. 다르게는, 반응영역을 원형 또는 여타 다른 형태로 정의하는 것도 가능하다.
도 3을 참조하면, 제1반응층(210)은 제1반응영역(ERZ1)에 대응되는 구조를 갖도록 마련되며, 분리판(100)의 양면에 각각 마련된다.
여기서, 제1반응층(210)이 분리판(100)에 양면에 마련된다 함은, 서로 인접한 분리판(100)의 사이에 제1반응층(210)이 각각 배치되는 것으로 이해될 수 있다.
제1반응층(210)은 반응유체(예를 들어, 물)의 전기 화학 반응을 유발할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1반응층(210)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 제1반응층(210)은 분리판(100)보다 작은 사이즈를 갖도록 제공된다.
일 예로, 제1반응층(210)은, 제1막전극접합체(first membrane electrode assembly)(212), 제1막전극접합체(212)의 일면에 밀착되는 제1가스확산층(first gas diffusion layer)(214), 제1막전극접합체(212)의 다른 일면에 밀착되는 제1물질전달층(first porous transport layer)(216), 및 제1막전극접합체(212)의 둘레를 따라 형성되는 제1가스켓(218)을 포함할 수 있다.
제1막전극접합체(212)의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1막전극접합체(212)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제1막전극접합체(212)는, 전해질막의 양면에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층(예를 들어, 애노드 전극층, 캐소드 전극층)을 부착하여 대략 사각형 형태를 갖도록 구성될 수 있다.
제1가스확산층(214) 및 제1물질전달층(216)은 반응유체(제1반응유체 및 제2반응유체)를 고르게 분포시키기 위해 마련되며, 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조체로 제공될 수 있다.
일 예로, 제1가스확산층(214)은 탄소 섬유 또는 분말로 형성될 수 있고, 제1물질전달층(216)은 금속 섬유 또는 분말로 형성될 수 있다.
제1가스켓(218)은 제1막전극접합체(212)보다 확장된 크기를 갖도록 제1막전극접합체(212)의 측면 둘레를 감싸도록 형성될 수 있다.
일 예로, 제1가스켓(218)은 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 제1가스켓(218)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
참고로, 수전해의 산화극인 애노드 전극층에 공급된 물은 수소이온(Proton), 전자(Electron), 및 산소로 분리된 후, 수소이온은 전해질막을 통해 환원극인 캐소드 전극층으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동한다. 또한, 산소는 애노드 출구로 배출될 수 있고, 수소이온과 전자는 캐소드에서 수소로 전환될 수 있다.
도 4를 참조하면, 제2반응층(220)은 제2반응영역(ERZ2)에 대응하는 구조를 갖도록 마련되며, 분리판(100)의 양면에 각각 마련된다.
여기서, 제2반응층(220)이 분리판(100)에 양면에 마련된다 함은, 서로 인접한 분리판(100)의 사이에 제2반응층(220)이 각각 배치되는 것으로 이해될 수 있다.
일 예로, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)은 서로 동일한 형상 및 크기를 갖도록 형성될 수 있고, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)은 대략 직선 형태의 경계를 이루도록 배치될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1반응층과 제2반응층을 서로 다른 형상 및 크기로 형성하는 것도 가능하다. 다르게는, 제1반응층과 제2반응층이 곡선 형태의 경계 또는 여타 다른 형태의 경계를 이루도록 구성하는 것도 가능하다.
제2반응층(220)은 반응유체(예를 들어, 물)의 전기 화학 반응을 유발할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2반응층(220)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 제2반응층(220)은 분리판(100)보다 작은 사이즈를 갖도록 제공된다.
일 예로, 제2반응층(220)은, 제2막전극접합체(second membrane electrode assembly)(222), 제2막전극접합체(222)의 일면에 밀착되는 제2가스확산층(second gas diffusion layer)(224), 제2막전극접합체(222)의 다른 일면에 밀착되는 제2물질전달층(second porous transport layer)(226), 및 제2막전극접합체(222)의 둘레를 따라 형성되는 제2가스켓(228)을 포함할 수 있다.
제2막전극접합체(222)의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2막전극접합체(222)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제2막전극접합체(222)는, 전해질막의 양면에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층(예를 들어, 애노드 전극층, 캐소드 전극층)을 부착하여 대략 사각형 형태를 갖도록 구성될 수 있다.
제2가스확산층(224) 및 제2물질전달층(226)은 반응유체(제1반응유체 및 제2반응유체)를 고르게 분포시키기 위해 마련되며, 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조체로 제공될 수 있다.
일 예로, 제2가스확산층(224)은 탄소 섬유 또는 분말로 형성될 수 있고, 제2물질전달층(226)은 금속 섬유 또는 분말로 형성될 수 있다.
제2가스켓(228)은 제2막전극접합체(222)보다 확장된 크기를 갖도록 제2막전극접합체(222)의 측면 둘레를 감싸도록 형성될 수 있다.
일 예로, 제2가스켓(228)은 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 제2가스켓(228)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 제1격벽부(110)는 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 경계를 따라 분리판(100)의 일면(예를 들어, 상면)에 돌출되게 형성되며, 제1격벽부(110)에는 제1반응영역(ERZ1)(예를 들어, 제1반응층 하부의 제1반응영역)과 제2반응영역(ERZ2)(예를 들어, 제2반응층 하부의 제2반응영역)을 서로 연통되게 연결하는 제1연결유로(112)가 마련된다.
여기서, 제1연결유로(112)라 함은, 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)을 공간적으로 서로 연통되게 연결할 수 있는 구멍(홀) 형태의 유로(통로)로 정의될 수 있다.
제1격벽부(110)는 제1연결유로(112)를 갖는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1격벽부(110)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제1격벽부(110)는 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 경계를 따라 소정 간격을 두고 이격되게 배치되는 복수개의 제1격벽돌기(미도시)를 포함할 수 있고, 서로 인접한 제1격벽돌기의 사이에는 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)을 서로 연통되게 연결하는 제1연결유로(112)가 마련된다.
예를 들어, 제1격벽돌기는 사각 기둥 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
바람직하게, 제1격벽돌기와 제1연결유로(112)는, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 경계를 따라 교호적(alternation)으로 배치될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1격벽부에 단 하나의 제1연결유로를 형성하거나, 제1연결유로와 제1격벽돌기를 불규칙적으로 배치하는 것도 가능하다.
이와 같이, 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)의 경계를 따라 마련되는 제1격벽부(110)에 제1연결유로(112)를 형성하는 것에 의하여, 제1반응영역(ERZ1)에 유입된 반응유체(예를 들어, 제1반응유체)는 제1연결유로(112)를 거쳐 제2반응영역(ERZ2)으로 공급될 수 있다.
제1실링부재(310)는 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐하도록 제1격벽부(110)의 단부에 마련된다.
여기서, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐한다 함은, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이 틈새를 밀폐하는 것으로 정의될 수 있다.
이와 같이, 제1실링부재(310)를 매개로 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐하는 것에 의하여, 반응층(제1반응층과 제2반응층)의 하부(도 7 기준)에서 제1채널(102)을 따라 이동하는 제1반응유체(RF1)와, 반응층(제1반응층과 제2반응층)의 상부(도 7 기준)에서 제2채널(104)을 따라 이동하는 제2반응유체(RF2)가 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이 틈새(제1가스켓과 제2가스켓의 사이 틈새)를 통해 서로 뒤섞이는 것을 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제1실링부재(310)는 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1실링부재(310)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제1실링부재(310)는 제1반응층(210)과 제2반응층(220)(제1가스켓과 제2가스켓)의 경계에 대응하는 길이를 갖는 연속적인 띠 또는 막대 형태로 형성될 수 있다.
바람직하게, 제1실링부재(310)는 제1가스켓(218)과 제2가스켓(228)의 경계 부위를 덮도록 마련될 수 있다.
여기서, 제1실링부재(310)가 제1가스켓(218)과 제2가스켓(228)의 경계 부위를 덮는다 함은, 제1실링부재(310)의 일부가 제1가스켓(218)의 최외각 가장자리(제2가스켓(228)에 인접한 단부)를 덮고, 제1실링부재(310)의 나머지는 제2가스켓(228)의 최외각 가장자리(제1가스켓(218)에 인접한 단부)를 밀착되게 덮는 것으로 이해될 수 있다.
이와 같이, 제1실링부재(310)가 제1가스켓(218)과 제2가스켓(228)의 경계 부위를 덮도록 하는 것에 의하여, 전기 화학 장치(10)에 체결압(복수개의 단위 셀을 체결하는 체결압)이 인가될 시, 제1가스켓(218)과 제2가스켓(228)의 경계 부위가 제1실링부재(310)에 의해 동시에 가압될 수 있으므로, 제1실링부재(310)에 의한 실링 성능을 보다 안정적으로 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 제1실링부재(310)에 돌출 형성되는 제1결합돌기(312), 및 제1격벽부(110)에 형성되며 제1결합돌기(312)가 수용되는 제1결합홈(114)을 포함할 수 있다.
일 예로, 제1결합돌기(312)는 사각 단면을 갖도록 형성될 수 있고, 제1결합홈(114)은 제1결합돌기(312)에 대응하는 사각홈 형태로 형성될 수 있다.
이와 같이, 제1실링부재(310)에 제1결합돌기(312)를 마련하고, 제1결합돌기(312)를 제1격벽부(110)에 형성된 제1결합홈(114)에 결합하는 것에 의하여, 제1실링부재(310)의 이탈 및 변형을 억제할 수 있으므로, 제1실링부재(310)의 배치 상태를 안정적으로 유지하고, 제1실링부재(310)에 의한 실링 성능을 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1결합돌기(312)가 제1실링부재(310)에 형성되고, 제1결합홈(114)이 제1격벽부(110)에 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1결합돌기를 제1격벽부에 형성하고, 제1결합홈을 제1실링부재에 형성하는 것도 가능하다.
다시, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 경계를 따라 분리판(100)의 다른 일면에 돌출되게 형성되며 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)을 서로 연통되게 연결하는 제2연결유로(122)를 포함하는 제2격벽부(120), 및 제2격벽부(120)의 단부에 마련되며, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐하는 제2실링부재(320)를 포함할 수 있다.
제2격벽부(120)는 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 경계를 따라 분리판(100)의 다른 일면(예를 들어, 저면)에 돌출되게 형성되며, 제2격벽부(120)에는 제1반응영역(ERZ1)(예를 들어, 제1반응층 상부의 제1반응영역)과 제2반응영역(ERZ2)(예를 들어, 제2반응층 상부의 제2반응영역)을 서로 연통되게 연결하는 제2연결유로(122)가 마련된다.
여기서, 제2연결유로(122)라 함은, 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)을 공간적으로 서로 연통되게 연결할 수 있는 구멍(홀) 형태의 유로(통로)로 정의될 수 있다.
제2격벽부(120)는 제2연결유로(122)를 갖는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2격벽부(120)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제2격벽부(120)는 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 경계를 따라 소정 간격을 두고 이격되게 배치되는 복수개의 제2격벽돌기(미도시)를 포함할 수 있고, 서로 인접한 제2격벽돌기의 사이에는 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)을 서로 연통되게 연결하는 제2연결유로(122)가 마련된다.
예를 들어, 제2격벽돌기는 사각 기둥 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
바람직하게, 제2격벽돌기와 제2연결유로(122)는, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 경계를 따라 교호적(alternation)으로 배치될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2격벽부에 단 하나의 제2연결유로를 형성하거나, 제2연결유로와 제2격벽돌기를 불규칙적으로 배치하는 것도 가능하다.
이와 같이, 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)의 경계를 따라 마련되는 제2격벽부(120)에 제2연결유로(122)를 형성하는 것에 의하여, 제1반응영역(ERZ1)에서 전환된 반응유체(예를 들어, 제2반응유체)는 제2연결유로(122)를 거쳐 제2반응영역(ERZ2)으로 공급될 수 있다.
제2실링부재(320)는 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐하도록 제2격벽부(120)의 단부에 마련된다.
여기서, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐한다 함은, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이 틈새를 밀폐하는 것으로 정의될 수 있다.
이와 같이, 제2실링부재(320)를 매개로 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐하는 것에 의하여, 반응층(제1반응층과 제2반응층)의 하부(도 7 기준)에서 제1채널(102)을 따라 이동하는 제1반응유체(RF1)와, 반응층(제1반응층과 제2반응층)의 상부(도 7 기준)에서 제2채널(104)을 따라 이동하는 제2반응유체(RF2)가 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이 틈새(제1가스켓과 제2가스켓의 사이 틈새)를 통해 서로 뒤섞이는 것을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제2실링부재(320)는 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2실링부재(320)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제2실링부재(320)는 제1반응층(210)과 제2반응층(220)(제1가스켓과 제2가스켓)의 경계에 대응하는 길이를 갖는 연속적인 띠 또는 막대 형태로 형성될 수 있다.
바람직하게, 제2실링부재(320)는 제1가스켓(218)과 제2가스켓(228)의 경계 부위를 덮도록 마련될 수 있다.
더욱 바람직하게, 제2실링부재(320)는 제1가스켓(218)과 제2가스켓(228)을 사이에 두고 제1실링부재(310)를 마주하도록 마련된다.
여기서, 제2실링부재(320)가 제1가스켓(218)과 제2가스켓(228)의 경계 부위를 덮는다 함은, 제2실링부재(320)의 일부가 제1가스켓(218)의 최외각 가장자리(제2가스켓(228)에 인접한 단부)를 덮고, 제2실링부재(320)의 나머지는 제2가스켓(228)의 최외각 가장자리(제1가스켓(218)에 인접한 단부)를 밀착되게 덮는 것으로 이해될 수 있다.
이와 같이, 제2실링부재(320)가 제1가스켓(218)과 제2가스켓(228)의 경계 부위를 덮도록 하는 것에 의하여, 전기 화학 장치(10)에 체결압(복수개의 단위 셀을 체결하는 체결압)이 인가될 시, 제1가스켓(218)과 제2가스켓(228)의 경계 부위가 제2실링부재(320)에 의해 동시에 가압될 수 있으므로, 제2실링부재(320)에 의한 실링 성능을 보다 안정적으로 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 제2실링부재(320)에 돌출 형성되는 제2결합돌기(322), 및 제2격벽부(120)에 형성되며 제2결합돌기(322)가 수용되는 제2결합홈(124)을 포함할 수 있다.
일 예로, 제2결합돌기(322)는 사각 단면을 갖도록 형성될 수 있고, 제2결합홈(124)은 제2결합돌기(322)에 대응하는 사각홈 형태로 형성될 수 있다.
이와 같이, 제2실링부재(320)에 제2결합돌기(322)를 마련하고, 제2결합돌기(322)를 제2격벽부(120)에 형성된 제2결합홈(124)에 결합하는 것에 의하여, 제2실링부재(320)의 이탈 및 변형을 억제할 수 있으므로, 제2실링부재(320)의 배치 상태를 안정적으로 유지하고, 제2실링부재(320)에 의한 실링 성능을 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제2결합돌기(322)가 제2실링부재(320)에 형성되고, 제2결합홈(124)이 제2격벽부(120)에 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2결합돌기를 제2격벽부에 형성하고, 제2결합홈을 제2실링부재에 형성하는 것도 가능하다.
도 2 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 분리판(100)의 제1반응영역(ERZ1)에 마련되는 제1매니폴드 유로(106), 및 제2반응영역(ERZ2)에 마련되는 제2매니폴드 유로(107)를 포함할 수 있고, 제1매니폴드 유로(106)에 유입된 제1반응유체(RF1)는 제1반응영역(ERZ1) 및 제2반응영역(ERZ2)을 거친 후 제2매니폴드 유로(107)를 통해 배출될 수 있다.
일 예로, 제1반응영역(ERZ1)의 최상단 좌측(도 2 기준)에는 제1매니폴드 유로(106)가 형성될 수 있고, 제2반응영역(ERZ2)의 최하단 우측(도 2 기준)에는 제2매니폴드 유로(107)가 형성될 수 있으며, 제1매니폴드 유로(106)에 유입된 제1반응유체(RF1)(예를 들어, 물)는 제1반응영역(ERZ1) 및 제2반응영역(ERZ2)을 순차적으로 통과한 후 제2매니폴드 유로(107)를 통해 배출될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1반응영역(ERZ1)의 최상단에 복수개의 제1매니폴드 유로(106)를 형성하고, 제2반응영역(ERZ2)의 최하단에 복수개의 제2매니폴드 유로(107)를 형성하는 것도 가능하며, 제1매니폴드 유로(106) 및 제2매니폴드 유로(107)의 개수 및 배치 간격에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 제1반응영역(ERZ1) 및 제2반응영역(ERZ2) 중 적어도 어느 하나에 형성되는 제3매니폴드 유로(108)를 포함할 수 있고, 제2반응유체(RF2)는 제3매니폴드 유로(108)를 통해 배출될 수 있다.
일 예로, 제1반응영역(ERZ1)의 최상단 우측(도 2 기준)에는 제3매니폴드 유로(108)가 형성될 수 있으며, 제2채널(104)에서 전환된 제2반응유체(RF2)는 제3매니폴드 유로(108)를 통해 배출될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 9와 같이, 제1반응영역(ERZ1)의 최상단 우측(도 9 기준) 및 제2반응영역(ERZ2)의 최하단 좌측(도 9 기준)에 각각 제3매니폴드 유로(108)를 형성하고, 제2채널(104)에서 전환된 제2반응유체(RF2)가 제1반응영역(ERZ1) 및 제2반응영역(ERZ2)에 마련된 2개의 제3매니폴드 유로(108)를 통해 각각 배출되도록 구성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 제1반응영역(ERZ1) 및 제2반응영역(ERZ2)에 각각 제3매니폴드 유로(108)를 마련하고, 제2반응유체(RF2)(예를 들어, 수소)가 각 제3매니폴드 유로(108)를 통해 보다 원활하게 배출되도록 하는 것에 의하여, 제2반응유체(RF2)의 배출 압력을 낮추고 물질전달저항을 감소시킬 수 있으므로, 제2반응유체(RF2)의 생성 반응을 보다 촉진시킬 수 있다.
제1매니폴드 유로(106) 내지 제3매니폴드 유로(108)의 구조 및 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1매니폴드 유로(106) 내지 제3매니폴드 유로(108)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 제1매니폴드 유로(106), 제2매니폴드 유로(107), 제3매니폴드 유로(108)는 서로 동일한 사이즈 및 형태를 갖도록 분리판(100)에 관통 형성될 수 있다.
일 예로, 제1매니폴드 유로(106), 제2매니폴드 유로(107), 제3매니폴드 유로(108)는 서로 동일한 사이즈를 갖는 사각형 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1매니폴드 유로 내지 제3매니폴드 유로를 원형 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 분리판(100)의 가장자리를 따라 마련되며, 제1반응층(210) 및 제2반응층(220)과 분리판(100)의 사이를 밀폐하는 가장자리 실링부재(330)를 포함할 수 있다.
여기서, 반응층(제1반응층 및 제2반응층)과 분리판(100)의 사이를 밀폐한다 함은, 반응층과 분리판(100)의 일면의 사이, 및 반응층과 분리판(100)의 다른 일면의 사이를 각각 밀폐하는 것으로 정의된다.
가장자리 실링부재(330)는 반응층(제1반응층 및 제2반응층)과 분리판(100)의 사이를 밀폐 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 가장자리 실링부재(330)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
참고로, 가장자리 실링부재(330)는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 가장자리 실링부재(330)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 가장자리 실링부재(330)는 분리판(100)과 별도로 제작된 후 분리판(100)에 부착(안착)될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분리판에 탄성소재를 도포, 전사 또는 인쇄하여 가장자리 실링부재를 형성하는 것도 가능하다. 다르게는 가장자리 실링부재를 분리판에 사출 성형하는 것도 가능하다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 분리판(100)에 2개의 반응영역이 1×2 행렬(또는 2×1 행렬)로 배열된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 분리판(100)에 4개의 반응영역을 2×2 행렬로 배열하여 전기 화학 장치(10)의 전체 반응영역을 보다 확장하는 것이 가능하다.
즉, 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 분리판(100)에는, 제1반응영역(ERZ1), 제2반응영역(ERZ2), 제3반응영역(ERZ3), 및 제4반응영역(ERZ4)이 2×2 행렬을 이루도록 정의될 수 있다.
전술한 실시예와 마찬가지로, 제1반응영역(ERZ1), 제2반응영역(ERZ2), 제3반응영역(ERZ3), 및 제4반응영역(ERZ4)에는 각각 개별적으로 반응층(도 3의 210 참조)이 마련될 수 있다.
서로 인접한 반응층의 가스켓(218,218',228,228')의 경계를 따라서 분리판(100)의 일면에는 제1연결유로(112)를 갖는 제1격벽부(110)가 형성될 수 있고, 서로 인접한 반응층의 경계를 따라서 분리판(100)의 다른 일면에는 제2연결유로(122)를 갖는 제2격벽부(120)가 형성될 수 있다.
일 예로, 제1격벽부(110) 및 제2격벽부(120)는 서로 인접한 반응층의 경계에 대응하는 대략 십자 형태를 이루도록 마련될 수 있고, 제1격벽부(110)의 단부에는 제1실링부재(310)가 마련될 수 있으며, 제2격벽부(120)의 단부에는 제2실링부재(320)가 마련될 수 있다.
제1반응영역(ERZ1)에 마련되는 제1매니폴드 유로(106)에 유입된 제1반응유체(RF1)(예를 들어, 물)는 제2반응영역(ERZ2) 또는 제3반응영역(ERZ3)을 순차적으로 통과한 후 제4반응영역(ERZ4)에 마련되는 제2매니폴드 유로(107)를 통해 배출될 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1격벽부(110)에 마련된 제1연결유로(112)를 통해 제1반응유체(RF1)가 제1반응영역(ERZ1)에서 제2반응영역(ERZ2)으로 이동하고, 제2격벽부(120)에 마련된 제2연결유로(122)를 통해 제2반응유체(RF2)가 제2반응영역(ERZ2)에서 제1반응영역(ERZ1)으로 이동하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1반응유체(RF1)(예를 들어, 물)만이 각 반응영역을 교차하여 이동하고, 제2반응유체(RF2)는 각 반응영역에서 개별적으로 배출되도록 구성할 수 있다.
즉, 도 12 및 도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 제1반응영역(ERZ1) 및 제2반응영역(ERZ2)이 정의된 분리판(100); 제1반응영역(ERZ1)에 대응되게 분리판(100)의 양면에 마련되는 제1반응층(210); 제2반응영역(ERZ2)에 대응되게 분리판(100)의 양면에 마련되는 제2반응층(220); 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 경계를 따라 분리판(100)의 일면에 돌출되게 형성되며, 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)을 서로 연통되게 연결하는 제1연결유로(112)를 포함하는 제1격벽부(110); 및 제1격벽부(110)의 단부에 마련되며, 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐하는 제1실링부재(310); 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 경계를 따라 분리판(100)의 다른 일면에 돌출되게 형성되며 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)을 차단하는 제2격벽부(120'); 및 제2격벽부(120')의 단부에 마련되며 제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이를 밀폐하는 제2실링부재(320);를 포함할 수 있다.
이와 같이, 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)의 경계를 따라 마련되는 제1격벽부(110)에 제1연결유로(112)를 형성하는 것에 의하여, 제1매니폴드 유로(106)를 통해 제1반응영역(ERZ1)에 유입된 반응유체(예를 들어, 제1반응유체)는 제1연결유로(112)를 거쳐 제2반응영역(ERZ2)으로 이동한 후, 제2매니폴드 유로(107)를 통해 배출될 수 있다.
반면, 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)의 경계를 따라 마련되는 제2격벽부(120')는, 제1반응영역(ERZ1)과 제2반응영역(ERZ2)을 차단하게 되므로, 제1반응영역(ERZ1)에서 전환된 제2반응유체(RF2)는 제2반응영역(ERZ2)으로 이동하지 않고, 제1반응영역(ERZ1)에 마련된 제3매니폴드 유로(108)를 통해 배출될 수 있다. 마찬가지로, 제2반응영역(ERZ2)에서 전환된 제2반응유체(RF2)는 제1반응영역(ERZ1)으로 이동하지 않고, 제2반응영역(ERZ2)에 마련된 제3매니폴드 유로(108)를 통해 배출될 수 있다.
이와 같이, 제2격벽부(120')를 연속적인 기둥 형태(연결유로가 형성되지 않은 연속적인 격벽 구조)로 하는 것에 의하여, 체결압(복수개의 단위 셀을 체결하는 체결압)이 인가될 시, 제2실링부재(320)가 제1가스켓(218)과 제2가스켓(228)의 경계 부위를 누르는 가압력을 전체적으로 균일하게 형성할 수 있으므로, 제2실링부재(320)에 의한 기밀 성능(제1반응층(210)과 제2반응층(220)의 사이 틈새를 밀폐하는 성능)을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제2격벽부(120')가 연속적인 기둥 형태로 형성된 경우에도, 제2실링부재(320)에는 제2결합돌기(322)가 형성될 수 있고, 제2격벽부(120')에는 제2결합돌기(322)가 수용되는 제2결합홈(124)이 형성될 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 전기 화학 장치
100 : 분리판
ERZ1 : 제1반응영역
ERZ2 : 제2반응영역
ERZ3 : 제3반응영역
ERZ4 : 제4반응영역
102 : 제1채널
104 : 제2채널
106 : 제1매니폴드 유로
107 : 제2매니폴드 유로
108 : 제3매니폴드 유로
110 : 제1격벽부
112 : 제1연결유로
114 : 제1결합홈
120,120' : 제2격벽부
122 : 제2연결유로
124 : 제2결합홈
210 : 제1반응층
212 : 제1막전극접합체
214 : 제1가스확산층
216 : 제1물질전달층
218 : 제1가스켓
220 : 제2반응층
222 : 제2막전극접합체
224 : 제2가스확산층
226 : 제2물질전달층
228 : 제2가스켓
310 : 제1실링부재
312 : 제1결합돌기
320 : 제2실링부재
322 : 제2결합돌기
330 : 가장자리 실링부재

Claims (12)

  1. 제1반응영역 및 제2반응영역이 정의된 분리판;
    상기 제1반응영역에 대응되게 마련되는 제1반응층;
    상기 제2반응영역에 대응되게 마련되는 제2반응층;
    상기 제1반응층과 상기 제2반응층의 경계를 따라 상기 분리판의 일면에 돌출되게 형성되며, 상기 제1반응영역과 상기 제2반응영역을 서로 연통되게 연결하는 제1연결유로를 포함하는 제1격벽부; 및
    상기 제1격벽부의 단부에 마련되며, 상기 제1반응층과 상기 제2반응층의 사이를 밀폐하는 제1실링부재;
    를 포함하는 전기 화학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1실링부재에 돌출 형성되는 제1결합돌기; 및
    상기 제1격벽부에 형성되며, 상기 제1결합돌기가 수용되는 제1결합홈;
    을 포함하는 전기 화학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응층은,
    제1막전극접합체; 상기 제1막전극접합체의 일면에 마련되는 제1가스확산층; 상기 제1막전극접합체의 다른 일면에 마련되는 제1물질전달층; 및 상기 제1막전극접합체의 둘레를 따라 형성되는 제1가스켓;을 포함하고,
    상기 제2반응층은,
    제2막전극접합체; 상기 제2막전극접합체의 일면에 마련되는 제2가스확산층; 상기 제2막전극접합체의 다른 일면에 마련되는 제2물질전달층; 및 상기 제2막전극접합체의 둘레를 따라 형성되는 제2가스켓;을 포함하고;
    상기 제1실링부재는 상기 제1가스켓과 상기 제2가스켓의 경계 부위를 덮도록 마련되는 전기 화학 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분리판의 상기 일면에 마련되며, 제1반응유체가 이동하는 제1채널; 및
    상기 분리판의 다른 일면에 마련되며, 제2반응유체가 이동하는 제2채널;
    을 포함하는 전기 화학 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1반응영역에 마련되는 제1매니폴드 유로; 및
    상기 제2반응영역에 마련되는 제2매니폴드 유로;를 포함하고,
    상기 제1매니폴드 유로에 유입된 상기 제1반응유체는 상기 제1반응영역 및 상기 제2반응영역을 거친 후 상기 제2매니폴드 유로를 통해 배출되는 전기 화학 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1반응영역 및 상기 제2반응영역 중 적어도 어느 하나에 마련되는 제3매니폴드 유로;를 포함하고,
    상기 제2반응유체는 상기 제3매니폴드 유로를 통해 배출되는 전기 화학 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응층과 상기 제2반응층의 경계를 따라 상기 분리판의 다른 일면에 돌출되게 형성되며, 상기 제1반응영역과 상기 제2반응영역을 서로 연통되게 연결하는 제2연결유로를 포함하는 제2격벽부; 및
    상기 제2격벽부의 단부에 마련되며, 상기 제1반응층과 상기 제2반응층의 사이를 밀폐하는 제2실링부재;
    를 포함하는 전기 화학 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2실링부재에 돌출 형성되는 제2결합돌기; 및
    상기 제2격벽부에 형성되며, 상기 제2결합돌기가 수용되는 제2결합홈;
    을 포함하는 전기 화학 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응층과 상기 제2반응층의 경계를 따라 상기 분리판의 다른 일면에 돌출되게 형성되며, 상기 제1반응영역과 상기 제2반응영역을 차단하는 제2격벽부; 및
    상기 제2격벽부의 단부에 마련되며, 상기 제1반응층과 상기 제2반응층의 사이를 밀폐하는 제2실링부재;
    를 포함하는 전기 화학 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2실링부재에 돌출 형성되는 제2결합돌기; 및
    상기 제2격벽부에 형성되며, 상기 제2결합돌기가 수용되는 제2결합홈;
    을 포함하는 전기 화학 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분리판의 가장자리를 따라 마련되며, 상기 제1반응층 및 상기 제2반응층과 상기 분리판의 사이를 밀폐하는 가장자리 실링부재를 포함하는 전기 화학 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응층 및 상기 제2반응층은 상기 분리판보다 작은 사이즈를 갖도록 제공되는 전기 화학 장치.
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