KR20230001454A - 전기 화학 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 화학 장치에 관한 것으로, 막전극접합체(MEA)를 포함하는 반응층, 및 일면에는 제1채널이 마련되고 다른 일면에는 제2채널이 마련되며 반응층의 양면에 각각 개별적으로 적층되는 분리판을 포함하되, 분리판은 반응층을 사이에 두고 제1채널 또는 제2채널이 서로 마주하도록 배치되도록 하는 것에 의하여, 구조 및 제작 공정을 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

전기 화학 장치{ELECTROCHEMICAL DEVICE}
본 발명의 실시예는 전기 화학 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 구조 및 제작 공정을 간소화할 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, 막전극접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly), 및 막전극접합체의 양면에 각각 배치되는 분리판(애노드 분리판 및 캐소드 분리판)을 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 수전해 스택의 구조를 간소화하고 경량화를 구현하기 위해서는, 분리판의 구조를 간소화하고 분리판의 사용 개수를 최소화할 수 있어야 한다.
그러나, 기존에는 물이 이동하는 채널을 정의하는 분리판(애노드 분리판)과, 수소가 이동하는 채널을 정의하는 분리판(캐소드 분리판)을 각각 개별적으로 제작해야 함에 따라, 구조 및 제작공정이 복잡해지고 생산성 및 생산효율이 저하되는 문제점이 있다.
특히, 기존에는 서로 인접한 단위 셀(수전해 셀)을 구성하는 막전극접합체의 사이에, 서로 다른 구조를 갖는 2개의 분리판(애노드 분리판 및 캐소드 분리판)을 적층시켜야 함에 따라, 구조 및 제작공정을 간소화하기 어렵고, 중량을 저감시키기 어려운 문제점이 있다.
더욱이, 수전해 스택에서 발생한 전자는 분리판을 따라 이동하게 되는데, 기존에는 2개의 분리판이 밀착되게 적층됨에 따른 접촉저항 증가로 인해, 전자의 이동 특성이 저하되고 수전해 스택의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 전기 화학 장치의 구조 및 제작 공정을 간소화하고 효율을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 구조 및 제작 공정을 간소화할 수 있는 전기 화학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 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 분리판의 구조적 강성을 향상시키고, 분리판의 변형 및 손상을 최소화할 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.
또한, 본 발명에 따르면 실링부재의 변형 및 손상을 억제하고, 기밀성을 확보할 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, 막전극접합체(MEA)를 포함하는 반응층, 및 일면에는 제1채널이 마련되고 다른 일면에는 제2채널이 마련되며 반응층의 양면에 각각 개별적으로 적층되는 분리판을 포함하되, 분리판은 반응층을 사이에 두고 제1채널 또는 제2채널이 서로 마주하도록 배치된다.
이는, 전기 화학 장치의 구조 및 제작 공정을 간소화하기 위함이다.
즉, 기존에는 물이 이동하는 채널을 정의하는 분리판(예를 들어, 애노드 분리판)과, 수소가 이동하는 채널을 정의하는 분리판(예를 들어, 캐소드 분리판)을 각각 개별적으로 제작해야 함에 따라, 구조 및 제작공정이 복잡해지고 생산성 및 생산효율이 저하되는 문제점이 있다.
특히, 기존에는 서로 인접한 단위 셀(수전해 셀)을 구성하는 막전극접합체의 사이에, 서로 다른 구조를 갖는 2개의 분리판(예를 들어, 애노드 분리판 및 캐소드 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 2개의 분리판이 밀착되게 적층됨에 따른 접촉저항 증가로 인해, 전자의 이동 특성이 저하되고 전기 화학 장치의 효율이 저하되는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 분리판의 일면에 제1채널을 마련하고, 분리판의 다른 일면에 제2채널을 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, 기존 2가지 종류의 분리판을 사용하는 것에 대비 단 한 종류의 분리판을 사용함으로 인해, 구조 및 제작공정을 간소화할 수 있으며, 전기 화학 장치의 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.
뿐만 아니라, 본 발명의 실시예는 반응층을 사이에 두고 제1채널(또는 제2채널)이 서로 마주하도록 반응층의 양면에 분리판을 적층하는 것에 의하여, 한가지 종류(동일한 구조)의 분리판으로 캐소드 분리판 및 애노드 분리판을 모두 구현하면서, 분리판의 구조적인 강성을 확보할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예는, 반응층의 양면에 분리판을 각각 적층하되, 각 분리판의 일면(또는 다른 일면)이 모두 반응층을 마주하도록 하는 것에 의하여, 각 분리판(반응층의 상하부에 배치되는 분리판)에서 체결압이 작용하는 부위(면적)를 충분하게 확보할 수 있으므로, 분리판의 구조적인 강성을 확보할 수 있고, 분리판의 변형 및 손상을 억제할 수 있다.
제1채널 및 제2채널은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 제공될 수 있다.
일 예로, 분리판은, 분리판의 다른 일면으로 돌출되는 제1돌기패턴, 및 분리판의 일면으로 돌출되는 제2돌기패턴을 포함할 수 있고, 제1채널은 제1돌기패턴의 내부에 정의되고, 제2채널은 제2돌기패턴의 내부에 정의될 수 있다.
바람직하게, 제1돌기패턴 및 제2돌기패턴은 분리판의 일부를 부분적으로 가공(예를 들어, 프레스 가공)하여 분리판에 일체로 형성될 수 있다.
바람직하게, 제1돌기패턴은 제2돌기패턴과 비중첩되게 제2돌기패턴의 외측 영역에 마련된다.
일 예로, 제1돌기패턴과 제2돌기패턴은 연속적인 파형(waveform) 단면을 이루도록 기설정된 기준 방향을 따라 교호적(alternation)으로 배치될 수 있다.
이와 같이, 제1돌기패턴 및 제2돌기패턴이 서로 겹쳐지지 않도록 하는 것에 의하여, 프레스 가공에 의해 분리판의 일면 및 다른 일면에 제1돌기패턴 및 제2돌기패턴을 함께 또는 동시에 형성하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 분리판은 반응층을 사이에 두고 제1채널 또는 제2채널이 서로 중첩되게 배치된다.
이와 같이, 반응층의 상부 및 하부에 각각 배치되는 분리판의 제1채널 또는 제2채널이 서로 중첩되도록 하는 것에 의하여, 반응층의 상부 및 하부에 배치되는 분리판에는 서로 동일한 위치에 체결압이 작용할 수 있으므로, 체결압에 의한 분리판의 변형 및 손상을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 분리판은, 제1채널 또는 제2채널을 사이에 두고 분리판의 일단 및 다른 일단에 각각 형성되는 복수개의 매니폴드 유로를 포함할 수 있다.
일 예로, 복수개의 매니폴드 유로는 분리판의 중심을 경유하는 수직기준선을 기준으로 대칭되게 마련될 수 있다.
이와 같이, 복수개의 매니폴드 유로가 분리판의 중심을 경유하는 수직기준선을 기준으로 대칭되도록 하는 것에 의하여, 분리판의 일면(또는 다른 일면)이 캐소드 분리판 또는 애노드 분리판의 역할을 수행하기 위해 수직선을 중심으로 반전(180도 회전)하더라도, 매니폴드 유로의 위치는 일정하게 유지될 수 있다. 다시 말해서, 분리판의 일면이 애노드 분리판 또는 캐소드 분리판의 역할을 수행함에 관계 없이, 매니폴드 유로의 위치는 일정하게 유지될 수 있다.
다른 일 예로, 복수개의 매니폴드 유로는 분리판의 중심을 경유하는 수평기준선을 기준으로 대칭되게 마련될 수 있다.
이와 같이, 복수개의 매니폴드 유로가 분리판의 중심을 경유하는 수평기준선을 기준으로 대칭되도록 하는 것에 의하여, 분리판의 일면(또는 다른 일면)이 캐소드 분리판 또는 애노드 분리판의 역할을 수행하기 위해 수평선을 중심으로 반전(180도 회전)하더라도, 매니폴드 유로의 위치는 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 분리판의 일면에 마련되며 제1채널과 매니폴드 유로의 사이에 제1분기유로를 정의하는 제1분기유로 돌기패턴, 및 분리판의 다른 일면에 마련되며 제2채널과 매니폴드 유로의 사이에 제2분기유로를 정의하는 제2분기유로 돌기패턴을 포함할 수 있다.
바람직하게, 제1분기유로 돌기패턴은 제2분기유로 돌기패턴과 비중첩되게 제2분기유로 돌기패턴의 외측 영역에 마련된다.
이와 같이, 제1분기유로 돌기패턴 및 제2분기유로 돌기패턴이 서로 겹쳐지지 않도록 하는 것에 의하여, 프레스 가공에 의해 분리판의 일면 및 다른 일면에 제1분기유로 돌기패턴 및 제2분기유로 돌기패턴을 함께 또는 동시에 형성하는 것이 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 반응층과 분리판의 사이를 밀폐하는 실링부를 포함할 수 있다.
실링부는 반응층과 분리판의 사이를 밀폐 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있다.
일 예로, 실링부는, 매니폴드 유로의 둘레를 따라 분리판의 일면에 마련되며 출입구가 형성된 제1실링부재, 매니폴드 유로의 둘레를 따라 분리판의 다른 일면에 마련되는 제2실링부재, 분리판의 가장자리를 따라 분리판의 일면에 마련되는 제1가장자리 실링부재, 및 분리판의 가장자리를 따라 분리판의 다른 일면에 마련되는 제2가장자리 실링부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 분리판에 마련되며, 분리판에 대해 실링부를 지지하는 지지부를 포함할 수 있다.
이와 같이, 지지부를 마련하는 것에 의하여, 실링부에 인가되는 압력(예를 들어, 물의 공급 압력 또는 체결압)이 높아지더라도, 실링부의 배치 상태를 안정적으로 유지할 수 있으므로, 실링부의 이탈 및 변형을 최소화하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
지지부는 실링부를 지지 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있다.
일 예로, 지지부는, 분리판의 일면에 마련되며 제1실링부재를 지지하는 제1지지돌기, 분리판의 다른 일면에 마련되며 제2실링부재를 지지하는 제2지지돌기, 분리판의 일면에 마련되며 제1가장자리 실링부재를 지지하는 제1가장자리 지지돌기, 및 분리판의 다른 일면에 마련되며 제2가장자리 실링부재를 지지하는 제2가장자리 지지돌기를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 제1지지돌기에 마련되며 제1실링부재가 안착되는 제1안착홈, 제2지지돌기에 마련되며 제2실링부재가 안착되는 제2안착홈, 제1가장자리 지지돌기에 마련되며 제1가장자리 지지돌기가 안착되는 제1가장자리 안착홈, 및 제2가장자리 지지돌기에 마련되며 제2가장자리 지지돌기가 안착되는 제2가장자리 안착홈을 포함할 수 있다.
바람직하게, 제1지지돌기는 제2지지돌기와 비중첩되게 제2지지돌기의 외측 영역에 마련되고, 제1가장자리 지지돌기는 제2가장자리 지지돌기와 비중첩되게 제2가장자리 지지돌기의 외측 영역에 마련될 수 있다.
이와 같이, 제1지지돌기가 제2지지돌기와 서로 겹쳐지지 않고, 제1가장자리 지지돌기가 제2가장자리 지지돌기와 서로 겹쳐지지 않도록 하는 것에 의하여, 프레스 가공에 의해 분리판의 일면 및 다른 일면에 제1지지돌기, 제1가장자리 지지돌기, 제2지지돌기, 제2가장자리 지지돌기를 함께 또는 동시에 형성하는 것이 가능하다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 구조 및 제작 공정을 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 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 분리판의 구조적 강성을 향상시키고, 분리판의 변형 및 손상을 최소화하는 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.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 실링부재의 변형 및 손상을 억제하고, 기밀성을 확보하는 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, 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제1채널을 설명하기 위한 평면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제2채널을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제1채널과 제2채널의 배치 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 매니폴드 유로를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 6의 A-A선 단면도이다.
도 8은 도 6의 B-B선 단면도이다.
도 9는 도 6의 C-C선 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 분리판의 적용예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 분리판의 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 12를 참조하면, 전기 화학 장치(10)는, 막전극접합체(110)(MEA)를 포함하는 반응층(100), 및 일면(200a)에는 제1채널(210)이 마련되고 다른 일면(200b)에는 제2채널(220)이 마련되며 반응층(100)의 양면에 각각 개별적으로 적층되는 분리판(200)을 포함하되, 분리판(200)은 반응층(100)을 사이에 두고 제1채널(210) 또는 제2채널(220)이 서로 마주하도록 배치된다.
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(100), 및 반응층(100)의 양면에 각각 적층되는 분리판(200)을 포함할 수 있으며, 복수개의 단위 셀을 기준 적층 방향으로 적층한 후, 그 양단에 엔드플레이트(미도시)를 조립함으로써 수전해 스택을 구성할 수 있다.
반응층(100)은 반응유체(예를 들어, 물)의 전기 화학 반응을 유발할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 반응층(100)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 반응층(100)은, 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(110), 막전극접합체(110)의 일면(200a)에 밀착되는 가스확산층(Gas Diffusion Layer)(120), 및 막전극접합체(110)의 다른 일면(200b)에 밀착되는 물질전달층(Porous Transport Layer)(130)을 포함할 수 있다.
막전극접합체(110)의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 막전극접합체(110)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 막전극접합체(110)는, 전해질막의 양면에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층(예를 들어, 애노드 전극층, 캐소드 전극층)을 부착하여 구성될 수 있다.
가스확산층(120) 및 물질전달층(130)은 반응유체를 고르게 분포시키기 위해 마련되며, 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조체로 제공될 수 있다.
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 1 내지 도 5를 참조하면, 분리판(200)은 반응층(100)과 함께 하나의 단위 셀(수전해 셀)을 이루도록 마련되며, 반응층(100)에 의해 분리된 수소와 물을 차단하는 역할 외에, 수소와 물의 이동을 위한 유로(Flow Field)를 확보하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 분리판(200)은 단위 셀에서 발생된 열을 단위 셀 전체에 분배하는 역할도 수행할 수 있고, 과도하게 발생된 열은 분리판(200)을 따라 이동하는 물(냉각수)에 의해 외부로 배출될 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서 분리판(200)이라 함은, 수전해 스택에서 물과 공기의 유로(채널)를 독립적으로 형성하는 애노드 분리판 또는 캐소드 분리판을 모두 포함하는 것으로 정의된다.
보다 구체적으로, 분리판(200)의 일면(200a)에는 제1채널(210)이 마련되고, 분리판(200)의 다른 일면(200b)에는 제2채널(220)이 마련된다.
제1채널(210) 및 제2채널(220)은 전기 화학 반응을 위한 반응 영역을 형성하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 제1채널(210)은 애노드 채널 및 캐소드 채널 중 어느 하나를 정의하고, 제2채널(220)은 애노드 채널 및 캐소드 채널 중 다른 하나를 정의할 수 있다. 일 예로, 제1채널(210)은 애노드 채널을 정의할 수 있고, 제2채널(220)은 캐소드 채널을 정의할 수 있다.
분리판(200)은 제1채널(210) 및 제2채널(220)을 갖는 다양한 구조 및 재질로 형성될 수 있으며, 분리판(200)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 분리판(200)은 대략 사각 플레이트 형태로 형성될 수 있고, 제1채널(210) 및 제2채널(220)은 분리판(200)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(200)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(210) 및 제2채널(220)은 기설정된 방향(예를 들어, 도 5를 기준으로 상하 방향)을 따라 직선 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 기설정된 방향에 대해 경사지게 제1채널 및 제2채널을 형성하는 것도 가능하다. 다르게는 제1채널 및 제2채널을 곡선 형태로 형성하는 것도 가능하다.
제1채널(210) 및 제2채널(220)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 제공될 수 있다.
일 예로, 분리판(200)은, 분리판(200)의 두께 방향(TD)(도 2를 기준으로 상하 방향)을 따라 분리판(200)의 다른 일면(200b)으로 돌출되는 제1돌기패턴(212), 및 분리판(200)의 두께 방향(TD)을 따라 분리판(200)의 일면(200a)으로 돌출되는 제2돌기패턴(222)을 포함할 수 있고, 제1채널(210)은 제1돌기패턴(212)의 내부에 정의되고, 제2채널(220)은 제2돌기패턴(222)의 내부에 정의될 수 있다.
바람직하게, 제1돌기패턴(212) 및 제2돌기패턴(222)은 분리판(200)의 일부를 부분적으로 가공(예를 들어, 프레스 가공)하여 분리판(200)에 일체로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로 제1채널(210)은, 분리판(200)의 일면(200a)을 가압함으로써, 분리판(200)의 다른 일면(200b)으로 돌출되는 제1돌기패턴(212)의 내부에 형성될 수 있고, 제2채널(220)은, 분리판(200)의 다른 일면(200b)을 가압함으로써, 분리판(200)의 일면(200a)으로 돌출되는 제2돌기패턴(222)의 내부에 형성될 수 있다.
더욱 바람직하게, 제1돌기패턴(212)은 제2돌기패턴(222)과 비중첩되게 제2돌기패턴(222)의 외측 영역에 마련된다.
여기서, 제1돌기패턴(212)이 제2돌기패턴(222)과 비중첩되게 제2돌기패턴(222)의 외측 영역에 마련된다 함은, 제1돌기패턴(212)과 제2돌기패턴(222)이 서로 겹쳐지지 않도록(예를 들어, 도 5를 기준으로, 평면투영시 제1돌기패턴과 제2돌기패턴이 서로 겹쳐지지 않도록), 서로 인접한 제2돌기패턴(222)의 사이 영역에 제1돌기패턴(212)이 배치(또는 서로 인접한 제1돌기패턴의 사이 영역에 제2돌기패턴이 배치)되는 것으로 이해될 수 있다.
일 예로, 제1돌기패턴(212)과 제2돌기패턴(222)은 연속적인 파형(waveform) 단면을 이루도록 기설정된 기준 방향(SD)을 따라 교호적(alternation)으로 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1돌기패턴과 제2돌기패턴을 기준 방향을 따라 불규칙적인 순서로 배열하는 것도 가능하다.
이와 같이, 제1돌기패턴(212) 및 제2돌기패턴(222)이 서로 겹쳐지지 않도록 하는 것에 의하여, 프레스 가공에 의해 분리판(200)의 일면(200a) 및 다른 일면(200b)에 제1돌기패턴(212) 및 제2돌기패턴(222)을 함께 또는 동시에 형성하는 것이 가능하다.
분리판(200)은 반응층(100)을 사이에 두고 제1채널(210)(또는 제2채널)이 서로 마주하도록 반응층(100)의 양면에 각각 개별적으로 적층된다.
일 예로, 도 1 및 도 2를 참조하면, 반응층(100)의 상부 및 하부에는 각각 동일한 구조를 갖는 분리판(200)이 적층되되, 반응층(100)의 하부에 배치되는 분리판(200)은 일면(200a)(도 2를 기준으로 상면)이 반응층(100)의 저면을 마주하도록 배치될 수 있고, 반응층(100)의 상부에 배치되는 분리판(200)은 일면(200a)(도 2를 기준으로 저면)이 반응층(100)의 상면을 마주하도록 배치될 수 있다.
분리판(200)은 서로 인접한 반응층(100)의 사이에 각각 마련되어 캐소드 분리판 및 애노드 분리판을 역할을 함께 수행할 수 있다. 예를 들어, 반응층(100)(예를 들어, 도 1에서 중앙부에 배치되는 반응층)의 저면과 분리판(200)의 일면(200a)의 사이에 마련되는 제1채널(210)을 따라서는 물이 이동할 수 있고, 반응층(100)(예를 들어, 도 1에서 최하부에 배치되는 반응층)의 상면과 분리판(200)의 다른 일면(200b)의 사이에 마련되는 제2채널(220)을 따라서는 수소가 이동할 수 있다.
이는, 단 하나의 분리판(200)으로 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 분리판(200)의 일면(200a)에 제1채널(210)(예를 들어, 물 채널)이 마련하고, 다른 일면(200b)에 제2채널(220)(예를 들어, 수소 채널)을 마련하는 것에 의하여, 서로 다른 2개의 분리판(200)을 적층(밀착)시키기 않고도, 단 한 하나의 분리판(200)만으로 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 반응층(100)의 사이에 단 하나의 분리판(200)만을 배치하면 되므로, 분리판(200) 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.
또한, 본 발명의 실시예에는, 반응층(100)을 사이에 두고 제1채널(210)(또는 제2채널)이 서로 마주하도록 반응층(100)의 양면에 분리판(200)을 적층하는 것에 의하여, 한가지 종류(동일한 구조)의 분리판(200)으로 캐소드 분리판 및 애노드 분리판을 모두 구현하면서, 분리판(200)의 구조적인 강성을 확보할 수 있다.
이는, 단위 셀에 체결압(가압력)이 인가될 시, 분리판(200)이 쉽게 변형되거나 손상되는 것을 억제하기 위함이다.
즉, 본 발명의 실시예는, 반응층(100)의 양면에 분리판(200)을 각각 적층하되, 각 분리판(200)의 일면(200a)(또는 다른 일면)이 모두 반응층(100)을 마주하도록 하는 것에 의하여, 각 분리판(200)(반응층의 상하부에 배치되는 분리판)에서 체결압이 작용하는 부위(면적)를 충분하게 확보할 수 있으므로, 분리판(200)의 구조적인 강성을 확보할 수 있고, 분리판(200)의 변형 및 손상을 억제할 수 있다.
보다 구체적으로, 분리판(200)에서 체결압이 인가되는 부위(면적)는, 반응층(100)에 접촉하는 제1돌기패턴(212)(또는 제2돌기패턴)의 접촉면(랜드면)으로 정의될 수 있다.
바람직하게, 분리판(200)은 반응층(100)을 사이에 두고 제1채널(210)(또는 제2채널)이 서로 중첩되게 배치된다.
여기서, 반응층(100)을 사이에 두고 제1채널(210)(또는 제2채널)이 서로 중첩된다 함은, 평면투영시 반응층(100)의 상하부에 배치되는 각 분리판(200)의 제1돌기패턴(212)(또는 제2돌기패턴)이 서로 겹쳐지게 배치되는 것으로 이해될 수 있다.
이와 같이, 반응층(100)의 상부 및 하부에 각각 배치되는 분리판(200)의 제1채널(210)(또는 제2채널)이 서로 중첩되도록 하는 것에 의하여, 반응층(100)의 상부 및 하부에 배치되는 분리판(200)에는 서로 동일한 위치에 체결압이 작용할 수 있으므로, 체결압에 의한 분리판(200)의 변형 및 손상을 보다 효과적으로 억제하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
예를 들어, 반응층(100)의 하부에 배치되는 분리판(200)에는 제1돌기패턴(212)에 체결압이 작용할 수 있고, 반응층(100)의 상부에 배치되는 분리판(200)에도 마찬가지로 제1돌기패턴(212)에 체결압이 작용할 수 있다. 이와 같이, 반응층(100)의 상부 및 하부에 배치되는 분리판(200)의 각각 동일한 위치(서로 마주하는 부위)에 동일한 체결압이 작용하도록 하는 것에 의하여, 체결압에 의한 분리판(200)의 변형 및 손상을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 분리판(200)은, 제1채널(210) 또는 제2채널(220)을 사이에 두고 분리판(200)의 일단 및 다른 일단에 각각 형성되는 복수개의 매니폴드 유로(230)를 포함할 수 있다.
매니폴드 유로(230)는, 분리판(200)으로 물 또는 수소의 출입(공급 및 배출)을 위해 형성된다.
일 예로, 제1채널(210)의 상부(도 3 기준)에는 복수개의 매니폴드 유로(230)가 수평 방향을 따라 이격되게 마련될 수 있고, 제1채널(210)의 하부(도 3 기준)에는 복수개의 매니폴드 유로(230)가 수평 방향을 따라 이격되게 마련될 수 있다.
이하에서는 제1채널(210)의 상부에 4개의 매니폴드 유로(230)가 마련되고, 제1채널(210)의 하부에 4개의 매니폴드 유로(230)가 마련된 예를 들어 설명하기로 한다. 또한, 이는, 제2채널(220)의 상부에 4개의 매니폴드 유로(230)가 마련되고, 제2채널(220)의 하부에 4개의 매니폴드 유로(230)가 마련되는 것으로 이해될 수 있다.
매니폴드 유로(230)의 개수 및 배치 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 매니폴드 유로(230)의 개수 및 배치 간격에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
매니폴드 유로(230)의 구조 및 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 매니폴드 유로(230)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
바람직하게, 복수개의 매니폴드 유로(230)는 서로 동일한 사이즈 및 형태를 갖도록 분리판(200)에 관통 형성될 수 있다.
일 예로, 복수개의 매니폴드 유로(230)는 서로 동일한 사이즈를 갖는 사각형 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 매니폴드 유로를 원형 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
매니폴드 유로(230)는 분리판(200)의 사용 용도(예를 들어, 애노드 분리판 또는 캐소드 분리판)에 따라 물 또는 수소를 출입시킬 수 있다.
일 예로, 예를 들어, 분리판(200)의 일면(200a)이 애노드 분리판으로 사용되는 경우, 복수개의 매니폴드 유로(230) 중 적어도 어느 하나(예를 들어, 232)에는 물이 유입될 수 있고, 매니폴드 유로(230) 중 적어도 다른 하나(234)에는 물이 배출될 수 있다.
반면, 분리판(200)의 일면(200a)이 캐소드 분리판으로 사용되는 경우, 매니폴드 유로(230) 중 적어도 어느 하나(예를 들어, 232,234)를 통해서는 수소가 배출될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 복수개의 매니폴드 유로(230)는 분리판(200)의 중심을 경유하는 수직기준선(도 10의 VL 참조)을 기준으로 대칭되게 마련될 수 있다.
이는, 분리판(200)의 일면(200a)이 선택적으로 애노드 분리판 또는 캐소드 분리판을 역할을 수행한다는 것에 기인한 것으로, 분리판(200)의 일면(200a)이 애노드 분리판 또는 캐소드 분리판의 역할을 수행함에 관계 없이, 매니폴드 유로(230)의 위치를 일정하게 유지하기 위함이다.
도 10을 참조하면, 서로 동일한 구조를 갖는 2개의 분리판(200)은 반응층(100)을 사이에 두고 반응층(100)의 양면에 적층될 수 있다. 좌측 분리판(200)(도 10 기준)은 일면(200a)은 애노드 분리판의 역할을 수행할 수 있고, 우측 분리판(200)(도 10 기준)의 일면(200a)은 캐소드 분리판의 역할을 수행할 수 있으며, 좌측 분리판(200)의 일면(200a)이 우측 반응층(100)의 일면(200a)을 마주하도록 좌측에서 우측으로 포개지는 방식으로 반응층(100)을 사이에 두고 2개의 분리판(200)이 포개질 수 있다.
이때, 좌측 분리판(200)에 형성된 매니폴드 유로(230)를 통해서는 물(W)이 출입할 수 있고, 우측 분리판(200)에 형성된 매니폴드 유로(230)를 통해서는 수소(H)가 출입할 수 있다.
이와 반대로, 좌측 분리판(200)의 일면(200a)이 캐소드 분리판의 역할을 수행하고, 우측 분리판(200)의 일면(200a)이 애노드 분리판의 역할을 수행할 수 있다. 이때, 좌측 분리판(200)에 형성된 매니폴드 유로(230)를 통해서는 수소가 출입할 수 있고, 우측 분리판(200)에 형성된 매니폴드 유로(230)를 통해서는 물이 출입할 수 있다.
이와 같이, 복수개의 매니폴드 유로(230)가 분리판(200)의 중심을 경유하는 수직기준선(VL)을 기준으로 대칭되도록 하는 것에 의하여, 분리판(200)의 일면(200a)(또는 다른 일면)이 캐소드 분리판 또는 애노드 분리판의 역할을 수행하기 위해 수직선을 중심으로 반전(180도 회전)하더라도, 매니폴드 유로(230)의 위치는 일정하게 유지될 수 있다. 다시 말해서, 분리판(200)의 일면(200a)이 애노드 분리판 또는 캐소드 분리판의 역할을 수행함에 관계 없이, 매니폴드 유로(230)의 위치는 일정하게 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 도 11과 같이, 복수개의 매니폴드 유로(230)는 분리판(200)의 중심을 경유하는 수평기준선(HL)을 기준으로 대칭되게 마련될 수 있다.
이와 같이, 복수개의 매니폴드 유로(230)가 분리판(200)의 중심을 경유하는 수평기준선(HL)을 기준으로 대칭되도록 하는 것에 의하여, 분리판(200)의 일면(200a)(또는 다른 일면)이 캐소드 분리판 또는 애노드 분리판의 역할을 수행하기 위해 수평선을 중심으로 반전(180도 회전)하더라도, 매니폴드 유로(230)의 위치는 일정하게 유지될 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1채널(210)(또는 제2채널)의 상부에 4개의 매니폴드 유로(230)가 마련되고, 제1채널(210)(또는 제2채널)의 하부에 4개의 매니폴드 유로(230)가 마련된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 12와 같이, 제1채널(210)(또는 제2채널)의 상부에 2개의 매니폴드 유로(230)를 형성하고, 제1채널(210)(또는 제2채널)의 하부에 2개의 매니폴드 유로(230)를 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 매니폴드 유로(230)는 제1채널(210)(또는 제2채널)의 상하부에 각각 2개 이상 마련되는 것이 바람직하다. 이는, 분리판(200)의 일면(200a)이 캐소드 분리판 또는 애노드 분리판의 역할을 선택적으로 수행한다는 것에 기인한 것으로, 분리판(200)의 일면(200a)이 애노드 분리판의 역할을 수행하는 경우에는, 매니폴드 유로(230)가 물이 유입되는 입구 및 물이 배출되는 출구로 사용되어야 하므로, 매니폴드 유로(230)에는 제1채널(210)(또는 제2채널)의 상하부에 각각 적어도 2개의 매니폴드 유로(230)가 형성될 수 있어야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 분리판(200)의 일면(200a)에 마련되며 제1채널(210)과 매니폴드 유로(230)의 사이에 제1분기유로(240)를 정의하는 제1분기유로 돌기패턴(242), 및 분리판(200)의 다른 일면(200b)에 마련되며 제2채널(220)과 매니폴드 유로(230)의 사이에 제2분기유로(250)를 정의하는 제2분기유로 돌기패턴(252)을 포함할 수 있다.
제1분기유로 돌기패턴(242)은 제1채널(210)과 매니폴드 유로(230)의 사이에 제1분기유로(240)를 정의할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1분기유로 돌기패턴(242)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
여기서, 제1분기유로(240)라 함은, 제1채널(210)과 매니폴드 유로(230)의 사이에서 물 또는 수소를 제1채널(210)에 균일하게 분배시키기 위한 유로로 이해될 수 있다.
이와 같이, 제1채널(210)과 매니폴드 유로(230)의 사이에 제1분기유로(240)를 마련하는 것에 의하여, 각 제1채널(210)로 공급(또는 배출)되는 물 또는 수소의 유량 편차를 최소화 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 제1분기유로 돌기패턴(242)은 균일한 간격으로 이격되게 배치되는 복수개의 제1돌기(242a)를 포함할 수 있고, 서로 인접한 제1돌기(242a)의 사이를 따라 제1분기유로(240)가 정의될 수 있다.
예를 들어, 제1돌기(242a)는 원형 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1돌기가 사각 단면 또는 여타 다른 단면 형태를 갖는 것도 가능하다.
제2분기유로 돌기패턴(252)은 제2채널(220)과 매니폴드 유로(230)의 사이에 제2분기유로(250)를 정의할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2분기유로 돌기패턴(252)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
여기서, 제2분기유로(250)라 함은, 제2채널(220)과 매니폴드 유로(230)의 사이에서 물 또는 수소를 제2채널(220)에 균일하게 분배시키기 위한 유로로 이해될 수 있다.
이와 같이, 제2채널(220)과 매니폴드 유로(230)의 사이에 제2분기유로(250)를 마련하는 것에 의하여, 각 제2채널(220)로 공급(또는 배출)되는 물 또는 수소의 유량 편차를 최소화 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
일 예로, 제2분기유로 돌기패턴(252)은 균일한 간격으로 이격되게 배치되는 복수개의 제2돌기(252a)를 포함할 수 있고, 서로 인접한 제2돌기(252a)의 사이를 따라 제2분기유로(250)가 정의될 수 있다.
예를 들어, 제2돌기(252a)는 원형 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제2돌기가 사각 단면 또는 여타 다른 단면 형태를 갖는 것도 가능하다.
바람직하게, 제1분기유로 돌기패턴(242)은 제2분기유로 돌기패턴(252)과 비중첩되게 제2분기유로 돌기패턴(252)의 외측 영역에 마련된다.
여기서, 제1분기유로 돌기패턴(242)이 제2분기유로 돌기패턴(252)과 비중첩되게 제2분기유로 돌기패턴(252)의 외측 영역에 마련된다 함은, 제1분기유로 돌기패턴(242)과 제2분기유로 돌기패턴(252)이 서로 겹쳐지지 않도록(예를 들어, 도 5를 기준으로, 평면투영시 제1분기유로 돌기패턴과 제2분기유로 돌기패턴이 서로 겹쳐지지 않도록), 서로 인접한 제2분기유로 돌기패턴(252)의 사이 영역에 제1분기유로 돌기패턴(242)이 배치(또는 서로 인접한 제1분기유로 돌기패턴의 사이 영역에 제2분기유로 돌기패턴이 배치)되는 것으로 이해될 수 있다.
이와 같이, 제1분기유로 돌기패턴(242) 및 제2분기유로 돌기패턴(252)이 서로 겹쳐지지 않도록 하는 것에 의하여, 프레스 가공에 의해 분리판(200)의 일면(200a) 및 다른 일면(200b)에 제1분기유로 돌기패턴(242) 및 제2분기유로 돌기패턴(252)을 함께 또는 동시에 형성하는 것이 가능하다.
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 분리판(200)의 일부를 부분적으로 프레스 가공하여 분리판(200)에 제1채널(210) 및 제2채널(220)(제1돌기패턴 및 제2돌기패턴)을 형성한 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분리판의 일부를 식각하여 분리판에 제1채널 및 제2채널을 형성하는 것도 가능하다.
다르게는, 절삭 가공 등에 의해 분리판의 표면을 절삭하여 분리판에 제1채널 및 제2채널을 형성하는 것도 가능하다.
마찬가지로, 제1분기유로 돌기패턴 및 제2분기유로 돌기패턴을 식각 또는 절삭 가공으로 형성하는 것도 가능하다.
도 6 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 반응층(100)과 분리판(200)의 사이를 밀폐하는 실링부(260)를 포함할 수 있다.
여기서, 반응층(100)과 분리판(200)의 사이를 밀폐한다 함은, 반응층(100)과 분리판(200)의 일면(200a)의 사이, 및 반응층(100)과 분리판(200)의 다른 일면(200b)의 사이를 각각 밀폐하는 것으로 정의된다.
실링부(260)는 반응층(100)과 분리판(200)의 사이를 밀폐 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있다.
일 예로, 실링부(260)는, 매니폴드 유로(230)의 둘레를 따라 분리판(200)의 일면(200a)에 마련되며 출입구(262a)가 형성된 제1실링부재(262), 매니폴드 유로(230)의 둘레를 따라 분리판(200)의 다른 일면(200b)에 마련되는 제2실링부재(264), 분리판(200)의 가장자리를 따라 분리판(200)의 일면(200a)에 마련되는 제1가장자리 실링부재(266), 및 분리판(200)의 가장자리를 따라 분리판(200)의 다른 일면(200b)에 마련되는 제2가장자리 실링부재(268)를 포함할 수 있다.
참고로, 실링부(260)는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 실링부(260)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 실링부(260)는 분리판(200)과 별도로 제작된 후 분리판(200)에 부착(안착)될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 분리판에 탄성소재를 도포, 전사 또는 인쇄하여 실링부를 형성하는 것도 가능하다. 다르게는 실링부를 분리판에 사출 성형하는 것도 가능하다.
제1실링부재(262)는 매니폴드 유로(230)의 둘레를 따라 분리판(200)의 일면(200a)에 마련될 수 있고, 제1실링부재(262)의 일측에는 물 또는 수소가 출입하기 위한 출입구(262a)가 형성될 수 있다.
제1실링부재(262)는, 복수개의 매니폴드 유로(230) 중, 물이 유입 및 배출되는 매니폴드 유로(230)에 마련될 수 있다.
예를 들어, 매니폴드 유로(230)로 유입된 물은 제1실링부재(262)의 출입구(262a)를 거쳐 제1채널(210)로 공급될 수 있다.
제2실링부재(264)는 매니폴드 유로(230)의 둘레를 따라 분리판(200)의 다른 일면(200b)에 마련되어, 분리판(200)의 다른 일면(200b)에서 매니폴드 유로(230)를 밀폐할 수 있다.
참고로, 제1실링부재(262)와 제2실링부재(264)가 적용되는 매니폴드 유로(230)의 위치 및 개수는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제1실링부재(262)와 제2실링부재(264)가 적용되는 매니폴드 유로(230)의 위치 및 개수에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 7을 참조하면, 특정 매니폴드 유로(230)를 기준으로, 제1실링부재(262)는 매니폴드 유로(230)의 둘레를 따라 분리판(200)의 상면(도 7 기준)에 형성될 수 있고, 제2실링부재(264)는 매니폴드 유로(230)의 둘레를 따라 분리판(200)의 저면(도 7 기준)에 형성될 수 있다.
다른 일 예로, 도 8을 참조하면, 다른 특정 매니폴드 유로(230)를 기준으로, 제1실링부재(262)는 매니폴드 유로(230)의 둘레를 따라 분리판(200)의 저면(도 8 기준)에 형성될 수 있고, 제2실링부재(264)는 매니폴드 유로(230)의 둘레를 따라 분리판(200)의 상면(도 8 기준)에 형성될 수 있다.
이와 같이, 분리판(200)의 일면(또는 다른 일면)에 제1실링부재(262)를 마련하고, 분리판(200)의 다른 일면(또는 일면)에 제2실링부재(264)를 마련하는 것에 의하여, 매니폴드 유로(230)에 공급된 물은 제1실링부재(262)의 출입구(262a)를 거쳐 제1채널(210)(분리판의 일면)로 유입될 수 있지만, 매니폴드 유로(230)로 유입된 물이 제2채널(220)(분리판의 다른 일면)로 유입되는 것을 차단할 수 있다. 마찬가지로, 분리판(200)의 다른 일면에는 매니폴드 유로(230)의 둘레를 밀폐하는 제2실링부재(264)가 마련되므로, 제2채널(220)의 수소가 제1채널(210)로 유입되는 것을 차단할 수 있다.
제1가장자리 실링부재(266)는 분리판(200)의 가장자리(예를 들어, 최외각 가장자리)를 따라 분리판(200)의 일면(200a)(예를 들어, 도 9를 기준으로 분리판의 상면)에 마련될 수 있고, 제1가장자리 실링부재(266)를 매개로 제1채널(210)이 밀폐될 수 있다.
제2가장자리 실링부재(268)는 분리판(200)의 가장자리(예를 들어, 최외각 가장자리)를 따라 분리판(200)의 다른 일면(200b)(예를 들어, 도 9를 기준으로 분리판의 저면)에 마련될 수 있고, 제2가장자리 실링부재(268)를 매개로 제2채널(220)이 밀폐될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 분리판(200)에 마련되며, 분리판(200)에 대해 실링부(260)를 지지하는 지지부(270)를 포함할 수 있다.
지지부(270)는 분리판(200)에 대한 실링부(260)의 배치 상태를 안정적으로 지지하게 위해 마련된다.
이와 같이, 지지부(270)를 마련하는 것에 의하여, 실링부(260)에 인가되는 압력(예를 들어, 물의 공급 압력 또는 체결압)이 높아지더라도, 실링부(260)의 배치 상태를 안정적으로 유지할 수 있으므로, 실링부(260)의 이탈 및 변형을 최소화하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
지지부(270)는 실링부(260)를 지지 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 지지부(270)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 지지부(270)는, 분리판(200)의 일면(200a)에 마련되며 제1실링부재(262)를 지지하는 제1지지돌기(272), 분리판(200)의 다른 일면(200b)에 마련되며 제2실링부재(264)를 지지하는 제2지지돌기(274), 분리판(200)의 일면(200a)에 마련되며 제1가장자리 실링부재(266)를 지지하는 제1가장자리 지지돌기(276), 및 분리판(200)의 다른 일면(200b)에 마련되며 제2가장자리 실링부재(268)를 지지하는 제2가장자리 지지돌기(278)를 포함할 수 있다.
제1지지돌기(272)는 제1실링부재(262)를 지지 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 제1지지돌기(272)는 제1실링부재(262)에 대응하는 형태를 갖도록 형성되어, 제1실링부재(262)의 둘레를 따라 제1실링부재(262)를 연속적으로 지지할 수 있다.
바람직하게, 제1지지돌기(272)에는 제1안착홈(272a)이 형성될 수 있으며, 제1실링부재(262)는 제1안착홈(272a)의 내부에 안착될 수 있다. 제1실링부재(262)가 제1안착홈(272a)에 안착된 상태에서 제1실링부재(262)의 내측 둘레 및 외측 둘레는 제1지지돌기(272)에 의해 지지될 수 있다.
제2지지돌기(274)는 제2실링부재(264)를 지지 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 제2지지돌기(274)는 제2실링부재(264)에 대응하는 형태를 갖도록 형성되어, 제2실링부재(264)의 둘레를 따라 제2실링부재(264)를 연속적으로 지지할 수 있다.
바람직하게, 제2지지돌기(274)에는 제2안착홈(274a)이 형성될 수 있으며, 제2실링부재(264)는 제2안착홈(274a)의 내부에 안착될 수 있다. 제2실링부재(264)가 제2안착홈(274a)에 안착된 상태에서 제2실링부재(264)의 내측 둘레 및 외측 둘레는 제2지지돌기(274)에 의해 지지될 수 있다.
제1가장자리 지지돌기(276)는 제1가장자리 실링부재(266)를 지지 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 제1가장자리 지지돌기(276)는 제1가장자리 실링부재(266)에 대응하는 형태를 갖도록 형성되어, 제1가장자리 실링부재(266)의 둘레를 따라 제1가장자리 실링부재(266)를 연속적으로 지지할 수 있다.
바람직하게, 제1가장자리 지지돌기(276)에는 제1가장자리 안착홈(276a)이 형성될 수 있으며, 제1가장자리 실링부재(266)는 제1가장자리 안착홈(276a)의 내부에 안착될 수 있다. 제1가장자리 실링부재(266)가 제1가장자리 안착홈(276a)에 안착된 상태에서 제1가장자리 실링부재(266)의 내측 둘레 및 외측 둘레는 제1가장자리 지지돌기(276)에 의해 지지될 수 있다.
제2가장자리 지지돌기(278)는 제2가장자리 실링부재(268)를 지지 가능한 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 제2가장자리 지지돌기(278)는 제2가장자리 실링부재(268)에 대응하는 형태를 갖도록 형성되어, 제2가장자리 실링부재(268)의 둘레를 따라 제2가장자리 실링부재(268)를 연속적으로 지지할 수 있다.
바람직하게, 제2가장자리 지지돌기(278)에는 제2가장자리 안착홈(278a)이 형성될 수 있으며, 제2가장자리 실링부재(268)는 제2가장자리 안착홈(278a)의 내부에 안착될 수 있다. 제2가장자리 실링부재(268)가 제2가장자리 안착홈(278a)에 안착된 상태에서 제2가장자리 실링부재(268)의 내측 둘레 및 외측 둘레는 제2가장자리 지지돌기(278)에 의해 지지될 수 있다.
바람직하게, 제1지지돌기(272)는 제2지지돌기(274)와 비중첩되게 제2지지돌기(274)의 외측 영역에 마련되고, 제1가장자리 지지돌기(276)는 제2가장자리 지지돌기(278)와 비중첩되게 제2가장자리 지지돌기(278)의 외측 영역에 마련될 수 있다.
여기서, 제1지지돌기(272)가 제2지지돌기(274)와 비중첩되게 제2지지돌기(274)의 외측 영역에 마련된다 함은, 도 5를 기준으로, 평면투영시 제1지지돌기(272)와 제2지지돌기(274)가 서로 겹쳐지지 않는 것으로 이해될 수 있다. 일 예로, 제2지지돌기(274)는 제1지지돌기(272)보다 확장된 크기를 갖도록 형성될 수 있으며, 제1지지돌기(272)는 제2지지돌기(274)의 내측 영역에 배치될 수 있다.
또한, 제1가장자리 지지돌기(276)가 제2가장자리 지지돌기(278)와 비중첩되게 제2가장자리 지지돌기(278)의 외측 영역에 마련된다 함은, 도 5를 기준으로, 평면투영시 제1가장자리 지지돌기(276)와 제2가장자리 지지돌기(278)가 서로 겹쳐지지 않는 것으로 이해될 수 있다. 일 예로, 제2가장자리 지지돌기(278)는 제1가장자리 지지돌기(276)보다 확장된 크기를 갖도록 형성될 수 있으며, 제1가장자리 지지돌기(276)는 제2가장자리 지지돌기(278)의 내측 영역에 배치될 수 있다.
이와 같이, 제1지지돌기(272)가 제2지지돌기(274)와 서로 겹쳐지지 않고, 제1가장자리 지지돌기(276)가 제2가장자리 지지돌기(278)와 서로 겹쳐지지 않도록 하는 것에 의하여, 프레스 가공에 의해 분리판(200)의 일면(200a) 및 다른 일면(200b)에 제1지지돌기(272), 제1가장자리 지지돌기(276), 제2지지돌기(274), 제2가장자리 지지돌기(278)를 함께 또는 동시에 형성하는 것이 가능하다.
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 : 반응층
110 : 막전극접합체
120 : 가스확산층
130 : 물질전달층
200 : 분리판
210 : 제1채널
212 : 제1돌기패턴
220 : 제2채널
222 : 제2돌기패턴
230 : 매니폴드 유로
240 : 제1분기유로
242 : 제1분기유로 돌기패턴
242a : 제1돌기
250 : 제2분기유로
252 : 제2분기유로 돌기패턴
252a : 제2돌기
260 : 실링부
262 : 제1실링부재
262a : 출입구
264 : 제2실링부재
266 : 제1가장자리 실링부재
268 : 제2가장자리 실링부재
270 : 지지부
272 : 제1지지돌기
272a : 제1안착홈
274 : 제2지지돌기
274a : 제2안착홈
276 : 제1가장자리 지지돌기
276a : 제1가장자리 안착홈
278 : 제2가장자리 지지돌기
278a : 제2가장자리 안착홈

Claims (17)

  1. 막전극접합체(MEA)를 포함하는 반응층; 및
    일면에는 제1채널이 마련되고, 다른 일면에는 제2채널이 마련되며, 상기 반응층의 양면에 각각 개별적으로 적층되는 분리판;을 포함하되,
    상기 분리판은 상기 반응층을 사이에 두고 상기 제1채널 또는 상기 제2채널이 서로 마주하도록 배치되는 전기 화학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리판은 상기 반응층을 사이에 두고 상기 제1채널 또는 상기 제2채널이 서로 중첩되게 배치되는 전기 화학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분리판은,
    상기 분리판의 상기 다른 일면으로 돌출되는 제1돌기패턴; 및
    상기 분리판의 상기 일면으로 돌출되는 제2돌기패턴;을 포함하고,
    상기 제1채널은 상기 제1돌기패턴의 내부에 정의되고,
    상기 제2채널은 상기 제2돌기패턴의 내부에 정의되는 전기 화학 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1돌기패턴은 상기 제2돌기패턴과 비중첩되게 상기 제2돌기패턴의 외측 영역에 마련되는 전기 화학 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1돌기패턴과 상기 제2돌기패턴은 연속적인 파형(waveform)을 이루도록 기설정된 기준 방향을 따라 교호적(alternation)으로 배치되는 전기 화학 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제1돌기패턴 및 상기 제2돌기패턴은 상기 분리판의 일부를 부분적으로 가공하여 상기 분리판에 일체로 형성되는 전기 화학 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리판은, 상기 제1채널 또는 상기 제2채널을 사이에 두고 상기 분리판의 일단 및 다른 일단에 각각 형성되는 복수개의 매니폴드 유로를 포함하는 전기 화학 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    복수개의 상기 매니폴드 유로는 상기 분리판의 중심을 경유하는 수직기준선을 기준으로 대칭되게 마련되는 전기 화학 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    복수개의 상기 매니폴드 유로는 상기 분리판의 중심을 경유하는 수평기준선을 기준으로 대칭되게 마련되는 전기 화학 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 분리판의 상기 일면에 마련되며, 상기 제1채널과 상기 매니폴드 유로의 사이에 제1분기유로를 정의하는 제1분기유로 돌기패턴; 및
    상기 분리판의 상기 다른 일면에 마련되며, 상기 제2채널과 상기 매니폴드 유로의 사이에 제2분기유로를 정의하는 제2분기유로 돌기패턴;
    을 포함하는 전기 화학 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1분기유로 돌기패턴은 상기 제2분기유로 돌기패턴과 비중첩되게 상기 제2분기유로 돌기패턴의 외측 영역에 마련되는 전기 화학 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 반응층과 상기 분리판의 사이를 밀폐하는 실링부를 포함하는 전기 화학 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 실링부는,
    상기 매니폴드 유로의 둘레를 따라 상기 분리판의 상기 일면에 마련되며, 출입구가 형성된 제1실링부재;
    상기 매니폴드 유로의 둘레를 따라 상기 분리판의 상기 다른 일면에 마련되는 제2실링부재;
    상기 분리판의 가장자리를 따라 상기 분리판의 상기 일면에 마련되는 제1가장자리 실링부재; 및
    상기 분리판의 가장자리를 따라 상기 분리판의 상기 다른 일면에 마련되는 제2가장자리 실링부재;
    를 포함하는 전기 화학 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 분리판에 마련되며, 상기 분리판에 대해 상기 실링부를 지지하는 지지부를 포함하는 전기 화학 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 지지부는,
    상기 분리판의 상기 일면에 마련되며, 상기 제1실링부재를 지지하는 제1지지돌기;
    상기 분리판의 상기 다른 일면에 마련되며, 상기 제2실링부재를 지지하는 제2지지돌기;
    상기 분리판의 상기 일면에 마련되며, 상기 제1가장자리 실링부재를 지지하는 제1가장자리 지지돌기; 및
    상기 분리판의 상기 다른 일면에 마련되며, 상기 제2가장자리 실링부재를 지지하는 제2가장자리 지지돌기;
    를 포함하는 전기 화학 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1지지돌기에 마련되며, 상기 제1실링부재가 안착되는 제1안착홈;
    상기 제2지지돌기에 마련되며, 상기 제2실링부재가 안착되는 제2안착홈;
    상기 제1가장자리 지지돌기에 마련되며, 상기 제1가장자리 실링부재가 안착되는 제1가장자리 안착홈; 및
    상기 제2가장자리 지지돌기에 마련되며, 상기 제2가장자리 실링부재가 안착되는 제2가장자리 안착홈;
    을 포함하는 전기 화학 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 제1지지돌기는 상기 제2지지돌기와 비중첩되게 상기 제2지지돌기의 외측 영역에 마련되고,
    상기 제1가장자리 지지돌기는 상기 제2가장자리 지지돌기와 비중첩되게 상기 제2가장자리 지지돌기의 외측 영역에 마련되는 전기 화학 장치.
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