KR20230045392A - 전기 화학 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 화학 장치에 관한 것으로, 막전극접합체(MEA)를 포함하는 반응층; 반응층을 마주하는 일면에는 제1채널이 마련되고, 다른 일면에는 제1채널과 연통되는 제2채널이 마련되며, 반응층의 일면에 적층되는 제1분리판; 및 일면이 제2채널을 덮도록 제1분리판에 적층되는 제2분리판;을 포함하는 것에 의하여, 구조적 강성을 확보하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

전기 화학 장치{ELECTROCHEMICAL DEVICE}
본 발명의 실시예는 전기 화학 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 구조적 강성을 확보하고 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 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), 막전극접합체의 양면에 각각 배치되는 제1, 제2물질전달층(애노드 및 캐소드 기공성 물질전달층(PTL: Porous Transport Layer)), 및 분리판(애노드 분리판 및 캐소드 분리판)을 포함할 수 있다.
한편, 분리판에 변형이 발생하면, 수전해 셀의 성능 및 효율이 저하될 수 있고, 수전해 스택 구조가 무너져 수소와 산소가 누설될 수 있으므로, 분리판의 구조적 강성이 보장될 수 있어야 한다.
예를 들어, 분리판(예를 들어, 캐소드 분리판)의 일면에 일정 이상의 압력(예를 들어, 수소 압력)이 작용하면, 분리판의 일면에 작용하는 압력에 의해 분리판의 일면에 마련된 채널(수소의 이동을 위한 채널) 유로가 뭉개지는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
특히, 분리판은 얇은 금속판을 기반으로 제작됨으로 인해, 분리판의 양면에 작용하는 압력의 차이(압력 불균형)가 커질수록 분리판이 쉽게 변형되는 문제점이 있다.
이에 따라, 최근에는 수전해 셀용 분리판의 구조적 강성을 확보하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.
본 발명의 실시예는 구조적 강성을 확보하고 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전기 화학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명의 실시예는 분리판의 일면에 작용하는 압력과 분리판의 다른 일면에 작용하는 압력의 차이(압력 불균형)를 최소화하고, 분리판의 변형 및 손상을 최소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 내구성을 향상시키고, 수명을 연장할 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), 제1물질전달층, 및 제2물질전달층을 포함하는 반응층; 반응층을 마주하는 일면에는 제1채널이 마련되고, 다른 일면에는 제1채널과 연통되는 제2채널이 마련되며, 반응층의 일면에 적층되는 제1분리판; 및 일면이 제2채널을 덮도록 제1분리판에 적층되는 제2분리판;을 포함한다.
이는, 전기 화학 장치의 구조적 강성을 확보하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키기 위함이다.
즉, 분리판에 변형이 발생하면, 수전해 셀의 성능 및 효율이 저하될 수 있고, 수소와 산소가 누설될 수 있으므로, 분리판의 구조적 강성이 보장될 수 있어야 한다.
그러나, 기존에는 분리판(예를 들어, 캐소드 분리판)의 일면에 일정 이상의 압력(예를 들어, 수소 압력)이 작용하면, 분리판의 일면에 작용하는 압력에 의해 분리판의 일면에 마련된 채널(수소의 이동을 위한 채널) 유로가 변형되는(뭉개지는) 현상이 발생하는 문제점이 있다. 특히, 분리판은 얇은 금속판을 기반으로 제작됨으로 인해, 분리판의 양면에 작용하는 압력의 차이(압력 불균형)가 커질수록 분리판이 쉽게 변형되는 현상이 발생하는 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는 제1분리판의 일면에 제1채널을 마련하고, 제1분리판의 다른 일면에는 제1채널과 연통되는 제2채널을 마련하는 것에 의하여, 제1분리판의 일면 뿐만 아니라 다른 일면에도 대상유체에 의한 압력이 인가되도록 하는 것에 의하여, 제1분리판의 일면에 작용하는 압력과 제1분리판의 다른 일면에 작용하는 압력의 차이(압력 불균형)를 최소화하고, 제1분리판의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 제1분리판의 양면에 각각 대상유체에 의한 압력을 동시에 인가할 수 있으므로, 제1분리판에 비교적 높은 압력이 작용하더라도, 제1분리판의 일면 및 다른 일면에 작용하는 압력의 불균형에 의한 제1분리판의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1분리판은, 제1분리판의 두께 방향을 따라 제1분리판의 일면으로 돌출되는 제1돌기패턴, 및 제1분리판의 두께 방향을 따라 제1분리판의 다른 일면으로 돌출되는 제2돌기패턴을 포함할 수 있고, 제1채널은 제2돌기패턴의 내부에 정의되고, 제2채널은 제1돌기패턴의 내부에 정의될 수 있다.
바람직하게, 제1채널과 제2채널은 기설정된 기준 방향을 따라 교호적(alternation)으로 배치될 수 있다.
제1채널과 제2채널은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 연통될 수 있다.
일 예로, 전기 화학 장치는, 제1분리판에 형성되는 연결유로를 포함할 수 있고, 제1채널 및 제2채널은 연결유로를 매개로 서로 연통되게 연결될 수 있다.
이와 같이, 제1분리판에 연결유로를 마련하는 것에 의하여, 반응층에 의해 반응된 대상유체(예를 들어, 수소)는 제1채널에서 연결유로를 거쳐 제2채널로 공급될 수 있다.
바람직하게, 반응층에 의해 반응된 대상유체는 연결유로를 매개로 제1채널 및 제2채널을 따라 연속적으로 이동하고, 제1분리판의 일면 및 다른 일면에는 각각 대상유체에 의해 서로 동일한 압력이 작용할 수 있다.
제2분리판은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2분리판은 평판(flat plate)으로 형성되며, 제2채널을 평평하게 덮도록 마련될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치는, 반응층과 제2분리판의 사이에 개재되는 다공성 구조체(porous structural member)를 포함할 수 있다.
이와 같이, 제2분리판을 평판으로 형성하고, 반응층과 제2분리판의 사이에 다공성 구조체를 마련하는 것에 의하여, 다공성 구조체를 매개로 제2분리판의 다른 일면을 전체적으로 균일하게 지지할 수 있으므로, 제1채널 및 제2채널에 높은 압력이 인가된다 하더라도(분리판의 일면에 높은 압력이 작용하더라도), 제2분리판의 변형을 최소화하고 제2분리판의 구조적 강성을 보장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제2채널의 실링(밀봉) 상태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 유지될 수 있다.
일 예로, 전기 화학 장치는, 제1분리판의 다른 일면(제2분리판을 마주하는 면)에 마련되며, 제2채널의 둘레를 실링하는 실링부재를 포함할 수 있다.
다른 일 예로, 전기 화학 장치는, 제1분리판을 마주하는 제2분리판의 일면에 마련되며, 제2채널의 둘레를 실링하는 실링부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 제2분리판은, 제2돌기패턴에 대응되게 제2분리판의 일면에 돌출되게 마련되는 제1볼록패턴, 및 제1돌기패턴에 대응되게 제2분리판의 다른 일면에 돌출되게 마련되는 제2볼록패턴을 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1분리판은 수전해 스택에서 수소의 유로(채널)를 형성하는 캐소드 분리판의 역할을 수행할 수 있고, 제2분리판은 수전해 스택에서 물(또는 물 및 산소)의 유로(채널)를 형성하는 애노드 분리판의 역할을 수행할 수 있다.
이와 같이, 제1분리판이 캐소드 분리판의 역할을 수행하도록 하는 것에 의하여, 제1분리판의 양면에 각각 대상유체(예를 들어, 수소)에 의한 압력을 동시에 인가할 수 있으므로, 제1분리판에 비교적 높은 압력(배압)이 작용하더라도(예를 들어, 전기 화학 장치를 차압 운전하더라도), 제1분리판의 일면 및 다른 일면에 작용하는 압력의 불균형에 의한 제1분리판의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 제1분리판이 수전해 스택에서 물(또는 물 및 산소)의 유로(채널)를 형성하는 애노드 분리판의 역할을 수행하고, 제2분리판이 수전해 스택에서 수소의 유로(채널)를 형성하는 캐소드 분리판의 역할을 수행하도록 구성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 제1분리판이 애노드 분리판의 역할을 수행하도록 하는 것에 의하여, 제1분리판의 양면에 각각 대상유체(예를 들어, 물 및 산소)에 의한 압력을 동시에 인가할 수 있으므로, 제1분리판의 일면에 작용하는 압력과 제1분리판의 다른 일면에 작용하는 압력의 차이(압력 불균형)를 최소화할 수 있으므로, 제1분리판의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따르면 제1분리판의 일면 뿐만 아니라 다른 일면에도 대상유체(예를 들어, 물 및 산소)가 이동하도록 하는 것에 의하여, 전기 화학 장치의 냉각 성능 및 냉각 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 구조적 강성을 확보하고 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따르면 분리판의 일면에 작용하는 압력과 분리판의 다른 일면에 작용하는 압력의 차이(압력 불균형)를 최소화하고, 분리판의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 분리판의 양면에 각각 유체에 의한 압력을 인가할 수 있으므로, 분리판의 일면 및 다른 일면에 작용하는 압력의 불균형을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 내구성을 향상시키고, 수명을 연장하는 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, 제2분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A선 단면도이다.
도 4는 도 2의 B-B선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제1분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 5의 C-C선 단면도이다.
도 7은 도 5의 D-D선 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 실링부재의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제2분리판의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 화학 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제1분리판을 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 11을 참조하면, 전기 화학 장치(10)는, 막전극접합체(MEA)(110), 제1물질전달층(120), 및 제2물질전달층(130)을 포함하는 반응층(100); 반응층(100)을 마주하는 일면(200a)에는 제1채널(210)이 마련되고, 다른 일면(200b)에는 제1채널(210)과 연통되는 제2채널(220)이 마련되며, 반응층(100)의 일면에 적층되는 제1분리판(200); 및 일면이 제2채널(220)을 덮도록 제1분리판(200)에 적층되는 제2분리판(300);을 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.
보다 구체적으로 단위 셀은, 반응층(100), 및 반응층(100)의 양면에 각각 적층되는 분리판(제1분리판 및 제2분리판)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 일면에 밀착되는 제1물질전달층(first porous transport layer)(120), 및 막전극접합체(110)의 다른 일면에 밀착되는 제2물질전달층(second 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, 애노드층, 캐소드층)을 부착하여 구성될 수 있다.
제1물질전달층(120) 및 제2물질전달층(130)은 반응유체를 고르게 분포시키기 위해 마련되며, 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조체(400)로 제공될 수 있다.
참고로, 수전해의 산화극인 애노드층에 공급된 물은 수소이온(Proton), 전자(Electron), 및 산소로 분리된 후, 수소이온은 전해질막을 통해 환원극인 캐소드층으로 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 7을 참조하면, 제1분리판(200) 및 제2분리판(300)은 반응층(100)과 함께 하나의 단위 셀(수전해 셀)을 이루도록 마련되며, 반응층(100)에 의해 분리된 수소와 물(또는 물 및 산소)을 차단하는 역할 외에, 수소와 물의 이동을 위한 유로(Flow Field)를 확보하는 역할을 수행할 수 있다.
또한, 제1분리판(200) 및 제2분리판(300)은 단위 셀에서 발생된 열을 단위 셀 전체에 분배하는 역할도 수행할 수 있고, 과도하게 발생된 열은 제1분리판(200) 또는 제2분리판(300)을 따라 이동하는 물에 의해 외부로 배출될 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서 분리판(제1분리판 및 제2분리판)이라 함은, 수전해 스택에서 물(또는 물 및 산소)과 수소의 유로(채널)를 독립적으로 형성하는 애노드 분리판 또는 캐소드 분리판을 모두 포함하는 것으로 정의된다.
이하에서는, 제1분리판(200)이 수전해 스택에서 수소의 유로(채널)를 형성하는 캐소드 분리판의 역할을 수행하고, 제2분리판(300)이 수전해 스택에서 물(또는 물 및 산소)의 유로(채널)를 형성하는 애노드 분리판의 역할을 수행하는 예를 들어 설명하기로 한다.
보다 구체적으로, 제1분리판(200)의 일면(200a)에는 제1채널(210)이 마련되고, 제1분리판(200)의 다른 일면(200b)에는 제1채널(210)과 연통되는 제2채널(220)이 마련된다.
여기서, 제1채널(210)과 제2채널(220)이 연통된다 함은, 제1채널(210)과 제2채널(220)이 공간적으로 서로 연결되는 것으로 정의될 수 있다.
제1채널(210)은 전기 화학 반응을 위한 반응 영역을 형성하도록 마련된다. 예를 들어, 제1채널(210)은 수소가 이동하는 캐소드 채널의 역할을 수행할 수 있다.
제1분리판(200)은 제1채널(210) 및 제2채널(220)을 갖는 다양한 구조 및 재질로 형성될 수 있으며, 제1분리판(200)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 제1분리판(200)은 대략 사각 플레이트 형태로 형성될 수 있고, 제1채널(210) 및 제2채널(220)은 제1분리판(200)의 대략 중앙부에 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1분리판을 원형 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1분리판(200)은 금속(예를 들어, 티타늄, 스테인리스 스틸, 인코넬, 알루미늄)으로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1분리판을 흑연 또는 탄소복합소재 등과 같은 여타 다른 재질로 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1채널(210) 및 제2채널(220)은 기설정된 방향을 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(210) 및 제2채널(220)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 제공될 수 있다.
일 예로, 제1분리판(200)은, 제1분리판(200)의 두께 방향(도 1을 기준으로 상하 방향)을 따라 제1분리판(200)의 일면(200a)으로 돌출되는 제1돌기패턴(202), 및 제1분리판(200)의 두께 방향을 따라 제1분리판(200)의 다른 일면(200b)으로 돌출되는 제2돌기패턴(204)을 포함할 수 있고, 제1채널(210)은 제2돌기패턴(204)의 내부에 정의되고, 제2채널(220)은 제1돌기패턴(202)의 내부에 정의될 수 있다.
바람직하게, 제1돌기패턴(202) 및 제2돌기패턴(204)은 제1분리판(200)의 일부를 부분적으로 가공(예를 들어, 프레스 가공)하여 제1분리판(200)에 일체로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로 제1채널(210)은, 제1분리판(200)의 일면(200a)을 가압함으로써, 제1분리판(200)의 다른 일면(200b)으로 돌출되는 제2돌기패턴(204)의 내부에 형성될 수 있고, 제2채널(220)은, 제1분리판(200)의 다른 일면(200b)을 가압함으로써, 제1분리판(200)의 일면(200a)으로 돌출되는 제1돌기패턴(202)의 내부에 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1분리판의 일부를 식각하거나, 절삭 가공에 등에 의해 제1분리판의 표면을 절삭하여 제1분리판에 제1채널 및 제2채널을 형성하는 것도 가능하다.
바람직하게, 제1돌기패턴(202)은 제2돌기패턴(204)과 비중첩되게 제2돌기패턴(204)의 외측 영역에 마련된다.
여기서, 제1돌기패턴(202)이 제2돌기패턴(204)과 비중첩되게 제2돌기패턴(204)의 외측 영역에 마련된다 함은, 제1돌기패턴(202)과 제2돌기패턴(204)이 서로 겹쳐지지 않도록(예를 들어, 도 2를 기준으로, 평면투영시 제1돌기패턴과 제2돌기패턴이 서로 겹쳐지지 않도록), 서로 인접한 제2돌기패턴(204)의 사이 영역에 제1돌기패턴(202)이 배치(또는 서로 인접한 제1돌기패턴의 사이 영역에 제2돌기패턴이 배치)되는 것으로 이해될 수 있다.
일 예로, 제1돌기패턴(202)과 제2돌기패턴(204)은 연속적인 파형(waveform) 단면을 이루도록 기설정된 기준 방향(예를 들어, 도 1을 기준으로 좌우 방향)을 따라 교호적(alternation)으로 배치될 수 있다. 마찬가지로, 제1채널(210)과 제2채널(220)은 기설정된 기준 방향을 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(202) 및 제2돌기패턴(204)이 서로 겹쳐지지 않도록 하는 것에 의하여, 프레스 가공에 의해 제1분리판(200)의 일면(200a) 및 다른 일면(200b)에 제1돌기패턴(202) 및 제2돌기패턴(204)을 함께 또는 동시에 형성하는 것이 가능하다.
제1채널(210)과 제2채널(220)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 연통될 수 있다.
일 예로, 전기 화학 장치(10)는, 제1분리판(200)의 두께 방향(도 6을 기준으로 상하 방향)을 따라 제1분리판(200)에 관통 형성되는 연결유로(230)를 포함할 수 있고, 제1채널(210) 및 제2채널(220)은 연결유로(230)를 매개로 서로 연통되게 연결될 수 있다.
여기서, 연결유로(230)라 함은, 제1채널(210)과 제2채널(220)을 공간적으로 서로 연통되게 연결할 수 있는 구멍(홀) 형태의 유로(통로)로 정의될 수 있다.
일 예로, 연결유로(230)는 폭보다 긴 길이를 갖는 연속적인 슬롯 형태(예를 들어, 직선 슬롯 형태)로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1분리판에 복수개의 연결유로를 이격되게 형성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 제1분리판(200)에 연결유로(230)를 마련하는 것에 의하여, 반응층(100)에 의해 반응된 대상유체(예를 들어, 수소)는 제1채널(210)에서 연결유로(230)를 거쳐 제2채널(220)로 공급될 수 있다.
바람직하게, 반응층(100)에 의해 반응된 대상유체(예를 들어, 수소)는 연결유로(230)를 매개로 제1채널(210) 및 제2채널(220)을 따라 연속적으로 이동하고, 제1분리판(200)의 일면(200a) 및 다른 일면(200b)에는 각각 대상유체에 의해 서로 동일한 압력이 작용할 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시예에서 대상유체라 함은, 반응층(100)과 반응하는 반응유체(예를 들어, 물), 및 반응층(100)과의 반응에 의해 생성된 생성유체(예를 들어, 산소, 수소)를 모두 포함하는 것으로 정의될 수 있다.
이는, 제1분리판(200)의 반응면(일면)에 과도한 압력(예를 들어, 수소 압력)이 작용하더라도, 제1분리판(200)의 반응면에 작용하는 압력에 의해 제1채널(210) 및 제2채널(220)(제1돌기패턴 및 제2돌기패턴)이 변형되는(뭉개지는) 현상을 억제하기 위함이다.
예를 들어, 수소가 배출되는 캐소드 측을 비교적 높은 압력(예를 들어, 30bar)으로 배압하고, 물 및 산소가 배출되는 애노드 측을 비교적 낮은 압력(예를 들어, 5bar)으로 배압하는 조건으로, 전기 화학 장치(10)를 차압 운전(캐소드 배압 > 애노드 배압)하면, 수소의 압축 및 저장 효율이 증가하고, 시스템 효율이 증가할 수 있다.
그런데, 전기 화학 장치(10)의 차압 운전시에는, 캐소드 분리판(예를 들어, 제1분리판)의 반응면(반응층을 마주하는 제1분리판의 일면)에만 높은 압력(예를 들어, 30bar)이 작용하고, 캐소드 분리판의 냉각면(냉각수가 공급되는 제1분리판의 다른 일면)에는 비교적 낮은 압력이 작용함에 따라, 캐소드 분리판의 반응면에 작용하는 압력과 캐소드 분리판의 냉각면에 작용하는 압력의 차이에 의해, 제1채널(210) 및 제2채널(220)(제1돌기패턴 및 제2돌기패턴)이 변형되는(뭉개지는) 문제점이 있다.
하지만, 본 발명의 실시예는, 제1분리판(200)의 일면(200a)에 제1채널(210)을 마련하고, 제1분리판(200)의 다른 일면(200b)에는 제1채널(210)과 연통되는 제2채널(220)을 마련하는 것에 의하여, 제1분리판(200)의 일면(200a) 뿐만 아니라 다른 일면(200b)에도 압력(동일한 압력)이 인가되도록 하는 것에 의하여, 제1분리판(200)의 일면(200a)에 작용하는 압력과 제1분리판(200)의 다른 일면(200b)에 작용하는 압력의 차이(압력 불균형)를 최소화할 수 있으므로, 제1분리판(200)의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 제1분리판(200)의 양면(200a,200b)에 각각 대상유체에 의한 압력을 동시에 인가할 수 있으므로, 제1분리판(200)에 비교적 높은 압력(배압)이 작용하더라도(예를 들어, 전기 화학 장치를 차압 운전하더라도), 제1분리판(200)의 일면(200a) 및 다른 일면(200b)에 작용하는 압력의 불균형에 의한 제1분리판(200)의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제2분리판(300)은, 일면이 제2채널(220)을 덮도록 제1분리판(200)에 적층됨과 동시에, 반응층(100)의 다른 일면(도 1을 기준으로 반응층의 저면)을 덮도록 마련되며, 수전해 스택에서 물(또는 물 및 산소)의 유로(채널)를 형성하는 애노드 분리판의 역할을 수행한다.
보다 구체적으로, 반응층(100)과 제2분리판(300)의 사이에는 물(또는 물 및 산소)이 이동하는 물 이동 채널(미도시)이 마련된다.
제2분리판(300)은 물 이동 채널을 갖는 다양한 구조 및 재질로 형성될 수 있으며, 제2분리판(300)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2분리판(300)은 평판(flat plate)으로 형성되며, 제2채널(220)을 평평하게 덮도록 마련될 수 있다.
제2분리판(300)과 반응층(100)의 사이에서 제1돌기패턴(202)은 반응층(100)에 밀착될 수 있고, 제2돌기패턴(204)은 제2분리판(300)에 밀착될 수 있다.
일 예로, 제2분리판(300)은 대략 사각 플레이트 형태로 형성될 수 있고, 물 이동 채널은 제2분리판(300)의 대략 중앙부에 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제2분리판을 원형 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2분리판(300)은 금속(예를 들어, 티타늄, 스테인리스 스틸, 인코넬, 알루미늄)으로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2분리판을 흑연 또는 탄소복합소재 등과 같은 여타 다른 재질로 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 반응층(100)과 제2분리판(300)의 사이에 개재되는 다공성 구조체(porous structural member)(400)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 다공성 구조체(400)는 제2분리판(300)의 다른 일면(반응층을 마주하는 면)에 마련되며, 반응층(100)과 제2분리판(300)의 사이에서 다공성 채널(미도시)을 형성한다.
다공성 구조체(400)로서는 대상유체(예를 들어, 물 및 산소)의 이동 경로를 형성 가능한 다공성 채널을 갖는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 다공성 구조체(400)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 별도의 다공성 구조체를 적용하지 않고, 반응층에 포함된 물질전달층(제1물질전달층 및 제2물질전달층)이 유로의 역할을 수행하도록 구성하는 것도 가능하다.
일 예로, 다공성 구조체(400)는 금속 플레이트를 블랭킹(blanking) 가공(구멍 형성)하여 다공체로 형성하고, 금속 플레이트의 일부를 절곡시켜 형성될 수 있다.
바람직하게, 다공성 구조체(400)는 제2분리판(300)의 대응하는 사이즈를 갖도록 형성되어, 제2분리판(300)의 다른 일면(반응층을 마주하는 면)을 전체적으로 균일하게 지지하도록 배치될 수 있다.
이와 같이, 제2분리판(300)을 평판으로 형성하고, 반응층(100)과 제2분리판(300)의 사이에 다공성 구조체(400)를 마련하는 것에 의하여, 다공성 구조체(400)를 매개로 제2분리판(300)의 다른 일면을 전체적으로 균일하게 지지할 수 있으므로, 제1채널(210) 및 제2채널(220)에 높은 압력이 인가된다 하더라도(분리판의 일면에 높은 압력이 작용하더라도), 제2분리판(300)의 변형을 최소화하고 제2분리판(300)의 구조적 강성을 보장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는 제1분리판(200) 및 제2분리판(300)에 마련되는 복수개의 매니폴드 유로(12,14,16)를 포함할 수 있다.
매니폴드 유로(12,14,16)는 제1분리판(200) 및 제2분리판(300)으로 물, 산소 또는 수소의 출입(공급 및 배출)을 위해 형성된다.
매니폴드 유로(12,14,16)의 개수 및 배치 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 매니폴드 유로(12,14,16)의 개수 및 배치 간격에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 도 2 및 도 5를 참조하면, 제1분리판(200) 및 제2분리판(300)의 일단(좌단)에는 2개의 매니폴드 유로가 마련되고, 제1분리판(200) 및 제2분리판(300)의 다른 일단(우단)에는 2개의 매니폴드 유로가 마련될 수 있다.
매니폴드 유로(12,14,16) 의 구조 및 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 매니폴드 유로(12,14,16)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 복수개의 매니폴드 유로(12,14,16)는 서로 다른 사이즈를 갖는 대략 사각형 형태로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 매니폴드 유로를 원형 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
매니폴드 유로(12,14,16)는 제1분리판(200) 및 제2분리판(300)의 사용 용도(예를 들어, 애노드 분리판 또는 캐소드 분리판)에 따라 물, 산소 또는 수소를 출입시킬 수 있다.
일 예로, 예를 들어, 제1분리판(200)이 캐소드 분리판으로 사용되는 경우, 복수개의 매니폴드 유로(12,14,16) 중 적어도 어느 하나(예를 들어, 12)에는 물이 유입될 수 있고, 복수개의 매니폴드 유로(12,14,16) 중 적어도 다른 하나(14)에는 물, 산소가 배출될 수 있으며, 복수개의 매니폴드 유로(12,14,16) 중 또 다른 하나(16)를 통해서는 수소가 배출될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2 내지 도 4를 참조하면, 복수개의 매니폴드 유로(12,14,16) 중 적어도 어느 하나(예를 들어, 12)를 통해 유입된 물은, 물 이동 채널을 따라 이동한 후 발생한 산소와 함께 복수개의 매니폴드 유로(12,14,16) 중 적어도 다른 하나(14)를 통해 배출될 수 있다.
반면, 도 5 내지 도 7을 참조하면, 반응층(100)에 의해 반응(생성)된 대상유체(예를 들어, 수소)는 제1채널(210)에서 연결유로(230)를 거쳐 제2채널(220)로 공급된 후, 복수개의 매니폴드 유로(12,14,16) 중 또 다른 하나(16)를 통해서 배출될 수 있다.
한편, 제2채널(220)의 실링(밀봉) 상태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 유지될 수 있다.
여기서, 제2채널(220)의 실링 상태를 유지한다 함은, 제2채널(220)에 유입된 대상유체(수소)가 제2채널(220)의 외부로 누설되지 않고 제2채널(220)을 따라 이동할 수 있도록 제1분리판(200)과 제2분리판(300)의 사이 틈새를 밀폐하는 것으로 정의될 수 있다.
일 예로, 전기 화학 장치(10)는, 제1분리판(200)의 다른 일면(제2분리판을 마주하는 면)에 마련되며, 제2채널(220)의 둘레를 실링하는 실링부재(500)를 포함할 수 있다.
실링부재(500)는 제1분리판(200)과 제2분리판(300)의 사이 틈새를 밀폐할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 실링부재(500)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 실링부재(500)는 제1분리판(200)과 제2분리판(300)의 반응 영역의 경계에 대응하는 구조 및 길이를 갖는 연속적인 띠 또는 막대 형태로 형성될 수 있다.
실링부재(500)는 고무, 실리콘 또는 우레탄 등과 같은 탄성 소재로 형성될 수 있으며, 실링부재(500)의 재질 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
실링부재(500)는 제1분리판(200)과 별도로 제작된 후 제1분리판(200)에 부착(안착)될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1분리판에 탄성소재를 도포, 전사 또는 인쇄하여 실링부재를 형성하는 것도 가능하다. 다르게는 실링부재를 제1분리판에 사출 성형하는 것도 가능하다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 제1분리판(200)과 제2분리판(300)의 사이 틈새를 밀폐(제2채널의 둘레를 실링)하는 실링부재(500)가 제1분리판(200)에 마련된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 실링부재(500')를 제1분리판(200)이 아닌 제2분리판(300)에 마련하는 것도 가능하다.
즉, 도 8을 참조하면, 전기 화학 장치(10)는, 제1분리판(200)을 마주하는 제2분리판(300)의 일면에 마련되며, 제2채널(220)의 둘레를 실링하는 실링부재(500')를 포함할 수 있다.
전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제2분리판(300)이 평판으로 형성되고, 제2분리판(300)과 반응층(100)의 사이에 다공성 구조체(400)가 마련된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 별도의 다공성 구조체(400)를 배제하고, 제1분리판(200)과 유사한 파형(물결) 단면 형태를 갖도록 제2분리판(300')을 형성하는 것도 가능하다.
즉, 도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 반응층(100), 제1분리판(200), 및 제2분리판(300')을 포함하고, 제1분리판(200)은 제1돌기패턴(202) 및 제2돌기패턴(204)을 포함하되, 제2분리판(300')은, 제2돌기패턴(204)에 대응되게 제2분리판(300')의 일면에 돌출되게 마련되는 제1볼록패턴(302'), 및 제1돌기패턴(202)에 대응되게 제2분리판(300')의 다른 일면에 돌출되게 마련되는 제2볼록패턴(304')을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1볼록패턴(302')은, 제2돌기패턴(204)에 대응되게 제2분리판(300')의 두께 방향(도 9을 기준으로 상하 방향)을 따라 제2분리판(300')의 일면(도 9를 기준으로 저면)으로 돌출되어, 제1볼록패턴(302')에 밀착될 수 있고, 제1볼록패턴(302')의 내부에는 물(또는 물 및 산소)이 이동하는 물 이동 채널이 정의될 수 있다.
제2블록패턴은, 제1돌기패턴(202)에 대응되게 제2분리판(300')의 두께 방향(도 9을 기준으로 상하 방향)을 따라 제2분리판(300')의 다른 일면(도 9를 기준으로 상면)으로 돌출되어, 반응층(100)에 밀착될 수 있고, 제2볼록패턴(304')의 내부 공간은 제2채널(220)과 상호 협조적으로 수소가 이동하는 확장 채널을 형성할 수 있다.
바람직하게, 제1볼록패턴(302') 및 제2볼록패턴(304')은 제2분리판(300')의 일부를 부분적으로 가공(예를 들어, 프레스 가공)하여 제2분리판(300')에 일체로 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제2분리판의 일부를 식각하거나, 절삭 가공에 등에 의해 제2분리판의 표면을 절삭하여 제2분리판에 제1볼록패턴 및 제2볼록패턴을 형성하는 것도 가능하다.
한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는, 제1분리판(200)이 캐소드 분리판의 역할을 수행하고, 제2분리판(300)이 애노드 분리판의 역할을 수행하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1분리판(200)이 수전해 스택에서 물(또는 물 및 산소)의 유로(채널)를 형성하는 애노드 분리판의 역할을 수행하고, 제2분리판(300)이 수전해 스택에서 수소의 유로(채널)를 형성하는 캐소드 분리판의 역할을 수행하도록 구성하는 것도 가능하다.
즉, 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 막전극접합체(MEA)(110)를 포함하는 반응층(100); 반응층(100)을 마주하는 일면에는 제1채널(210)이 마련되고, 다른 일면에는 제1채널(210)과 연통되는 제2채널(220)이 마련되며, 반응층(100)의 일면에 적층되는 제1분리판(200); 및 일면이 제2채널(220)을 덮도록 제1분리판(200)에 적층되는 제2분리판(300);을 포함하되, 제1분리판(200)은 수전해 스택에서 물(또는 물 및 산소)의 유로(채널)를 형성하는 애노드 분리판의 역할을 수행하고, 제2분리판(300)은 수전해 스택에서 수소의 유로(채널)를 형성하는 캐소드 분리판의 역할을 수행할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1분리판(200)의 일면(도 10을 기준으로 저면)에는 제1채널(210)이 마련되고, 제1분리판(200)의 다른 일면(도 10을 기준으로 상면)에는 제1채널(210)과 연통되는 제2채널(220)이 마련된다.
제1채널(210)은 전기 화학 반응을 위한 반응 영역을 형성하도록 마련된다. 예를 들어, 제1채널(210)은 물 및 산소가 이동하는 애노드 채널의 역할을 수행할 수 있다.
제1채널(210) 및 제2채널(220)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 제공될 수 있다.
일 예로, 제1분리판(200)은, 제1분리판(200)의 두께 방향(도 1을 기준으로 상하 방향)을 따라 제1분리판(200)의 일면(200a)으로 돌출되는 제1돌기패턴(202), 및 제1분리판(200)의 두께 방향을 따라 제1분리판(200)의 다른 일면(200b)으로 돌출되는 제2돌기패턴(204)을 포함할 수 있고, 제1채널(210)은 제2돌기패턴(204)의 내부에 정의되고, 제2채널(220)은 제1돌기패턴(202)의 내부에 정의될 수 있다.
제1채널(210)과 제2채널(220)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 방식으로 연통될 수 있다.
일 예로, 전기 화학 장치(10)는, 제1분리판(200)의 두께 방향(도 11을 기준으로 상하 방향)을 따라 제1분리판(200)에 관통 형성되는 연결유로(230)를 포함할 수 있고, 제1채널(210) 및 제2채널(220)은 연결유로(230)를 매개로 서로 연통되게 연결될 수 있다.
이와 같이, 제1분리판(200)에 연결유로(230)를 마련하는 것에 의하여, 반응층(100)에 의해 반응된 대상유체(예를 들어, 물 및 산소)는 제1채널(210)에서 연결유로(230)를 거쳐 제2채널(220)로 공급될 수 있다.
바람직하게, 반응층(100)에 의해 반응된 대상유체(예를 들어, 물 및 산소)는 연결유로(230)를 매개로 제1채널(210) 및 제2채널(220)을 따라 연속적으로 이동하고, 제1분리판(200)의 일면 및 다른 일면에는 각각 대상유체에 의해 서로 동일한 압력이 작용할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는, 제1분리판(200)의 일면에 제1채널(210)을 마련하고, 제1분리판(200)의 다른 일면에는 제1채널(210)과 연통되는 제2채널(220)을 마련하는 것에 의하여, 제1분리판(200)의 일면 뿐만 아니라 다른 일면에도 대상유체(예를 들어, 물 및 산소)에 의한 압력(동일한 압력)이 인가되도록 하는 것에 의하여, 제1분리판(200)의 일면에 작용하는 압력과 제1분리판(200)의 다른 일면에 작용하는 압력의 차이(압력 불균형)를 최소화할 수 있으므로, 제1분리판(200)의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
더욱이, 본 발명의 실시예에 따르면 제1분리판(200)의 일면 뿐만 아니라 다른 일면에도 대상유체(예를 들어, 물 및 산소)가 이동하도록 하는 것에 의하여, 전기 화학 장치(10)의 냉각 성능 및 냉각 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
제2분리판(300)은, 일면이 제2채널(220)을 덮도록 제1분리판(200)에 적층됨과 동시에, 반응층(100)의 다른 일면(도 10을 기준으로 반응층(100)의 저면)을 덮도록 마련되며, 수전해 스택에서 수소의 유로(채널)를 형성하는 캐소드 분리판의 역할을 수행한다.
보다 구체적으로, 반응층(100)과 제2분리판(300)의 사이에는 수소가 이동하는 수소 이동 채널(미도시)이 마련된다.
제2분리판(300)은 수소 이동 채널을 갖는 다양한 구조 및 재질로 형성될 수 있으며, 제2분리판(300)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2분리판(300)은 평판(flat plate)으로 형성되며, 제2채널(220)을 평평하게 덮도록 마련될 수 있다.
제2분리판(300)과 반응층(100)의 사이에서 제1돌기패턴(202)은 반응층(100)에 밀착될 수 있고, 제2돌기패턴(204)은 제2분리판(300)에 밀착될 수 있다.
일 예로, 제2분리판(300)은 대략 사각 플레이트 형태로 형성될 수 있고, 수소 이동 채널은 제2분리판(300)의 대략 중앙부에 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제2분리판을 원형 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 전기 화학 장치(10)는, 반응층(100)과 제2분리판(300)의 사이에 개재되는 다공성 구조체(porous structural member)(400)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 다공성 구조체(400)는 제2분리판(300)의 다른 일면(반응층(100)을 마주하는 면)에 마련되며, 반응층(100)과 제2분리판(300)의 사이에서 다공성 채널(미도시)을 형성한다.
이와 같이, 제2분리판(300)을 평판으로 형성하고, 반응층(100)과 제2분리판(300)의 사이에 다공성 구조체(400)를 마련하는 것에 의하여, 다공성 구조체(400)를 매개로 제2분리판(300)의 다른 일면을 전체적으로 균일하게 지지할 수 있으므로, 제1채널(210) 및 제2채널(220)에 높은 압력이 인가된다 하더라도(분리판의 일면에 높은 압력이 작용하더라도), 제2분리판(300)의 변형을 최소화하고 제2분리판(300)의 구조적 강성을 보장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 별도의 다공성 구조체를 배제하고, 반응층에 포함된 물질전달층(제1물질전달층 및 제2물질전달층)이 유로의 역할을 수행하도록 구성하는 것도 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 : 제1물질전달층
130 : 제2물질전달층
200 : 제1분리판
202 : 제1돌기패턴
204 : 제2돌기패턴
210 : 제1채널
220 : 제2채널
230 : 연결유로
300,300' : 제2분리판
302' : 제1볼록패턴
304' : 제2볼록패턴
400 : 다공성 구조체
500,500' : 실링부재

Claims (12)

  1. 막전극접합체(MEA)를 포함하는 반응층;
    상기 반응층을 마주하는 일면에는 제1채널이 마련되고, 다른 일면에는 상기 제1채널과 연통되는 제2채널이 마련되며, 상기 반응층의 일면에 적층되는 제1분리판; 및
    일면이 상기 제2채널을 덮도록 상기 제1분리판에 적층되는 제2분리판;
    을 포함하는 전기 화학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1분리판에 형성되는 연결유로를 포함하고,
    상기 제1채널 및 상기 제2채널은 상기 연결유로를 매개로 서로 연통되는 전기 화학 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반응층에 의해 반응된 대상유체는 상기 연결유로를 매개로 상기 제1채널 및 상기 제2채널을 따라 연속적으로 이동하고,
    상기 제1분리판의 상기 일면 및 상기 다른 일면에는 각각 상기 대상유체에 의해 서로 동일한 압력이 작용하는 전기 화학 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1분리판은,
    상기 제1분리판의 상기 일면에 돌출되게 마련되는 제1돌기패턴; 및
    상기 제1분리판의 상기 다른 일면에 돌출되게 마련되는 제2돌기패턴;을 포함하고,
    상기 제1채널은 상기 제2돌기패턴의 내부에 제공되고, 상기 제2채널은 상기 제1돌기패턴의 내부에 제공되는 전기 화학 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1채널과 상기 제2채널은 기설정된 기준 방향을 따라 교호적(alternation)으로 배치되는 전기 화학 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2분리판은 평판(flat plate)으로 형성되며, 상기 제2채널을 평평하게 덮도록 마련되는 전기 화학 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2분리판의 다른 일면에 마련되는 다공성 구조체(porous structural member)를 포함하는 전기 화학 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제2분리판은,
    상기 제2돌기패턴에 대응되게 상기 제2분리판의 일면에 돌출되게 마련되는 제1볼록패턴; 및
    상기 제1돌기패턴에 대응되게 상기 제2분리판의 상기 다른 일면에 돌출되게 마련되는 제2볼록패턴;
    을 포함하는 전기 화학 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1분리판의 상기 다른 일면에 마련되며, 상기 제2채널의 둘레를 실링하는 실링부재를 포함하는 전기 화학 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1분리판을 마주하는 상기 제2분리판의 일면에 마련되며, 상기 제2채널의 둘레를 실링하는 실링부재를 포함하는 전기 화학 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1분리판은 캐소드 분리판이고, 상기 제2분리판은 애노드 분리판인 것을 특징으로 하는 전기 화학 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1분리판은 애노드 분리판이고, 상기 제2분리판은 캐노드 분리판인 것을 특징으로 하는 전기 화학 장치.
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