KR20230126121A - 전기 화학 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 화학 장치에 관한 것으로, 제1방향을 따라 제1채널 및 제1랜드가 마련되는 제1분리판, 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 제2채널 및 제2랜드가 마련되며 제1분리판에 적층되는 제2분리판, 및 제2분리판에 접촉 가능하게 제1채널 상에 배치되도록 제1분리판에 마련되는 접촉패턴을 포함하는 것에 의하여, 기밀 성능을 보장하면서 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 기밀 성능을 보장하면서 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(단위셀)을 직렬로 적층하여 구성될 수 있다.

수전해 스택의 단위 셀 구성에서 가장 안쪽에는 막-전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 이 막-전극접합체는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 과불소 술폰산계 이오노머 기반 전해질막(Perfluorinated Sulfonic Acid Ionomer-Based Membrane)과 전해질막의 양면에 각각 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 전극으로 구성된다. 이하, 수전해라 함은 PEM 수전해를 의미한다.

또한, 막-전극접합체(MEA)의 바깥 부분(외면), 즉 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥 부분에는 각각 기공성 물질 이동체(PTL: Porous Transport Layer), 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)과 가스켓(Gasket) 등이 적층되고, 기공성 물질 이동체(PTL)과 기체확산층(GDL)의 바깥쪽(외면)에는 반응물 및 냉각수, 반응에 의해 발생한 생성물이 흐르는 유로(Flow Field), 혹은 유로를 대체할 수 있는 구조물을 포함한 분리판(Separator or Bipolar Plate)이 마련될 수 있다.

또한, 수전해 셀을 적층하여 수전해 스택을 구성하기 위해서는, 각 분리판(예를 들어, 애노드 분리판 및 캐소드 분리판)의 사이에 기밀이 유지될 수 있어야 한다.

이를 위해, 서로 적층되는 인접한 분리판의 사이에는 가스켓(실링부재)이 마련된다. 즉, 가스켓은 분리판의 일면 또는 다른 일면으로 유동하는 대상유체(예를 들어, 물 또는 수소)가 수전해 셀의 외부로 누설되는 것을 방지하기 위해 마련된다.

한편, 수전해 셀의 안정적인 성능을 보장하고, 안전성 및 신뢰성을 확보하기 위해서는, 가스켓에 의한 밀봉 상태가 견고하게 유지될 수 있어야 한다.

최근에는, 각 분리판(예를 들어, 애노드 분리판 및 캐소드 분리판) 사이의 기밀 성능을 보다 효과적으로 확보하기 위해, 애노드 분리판에서 대상유체(예를 들어, 물)가 이동하는 제1채널과, 캐소드 분리판에서 대상유체(예를 들어, 수소)가 이동하는 제2채널을 서로 교차(예를 들어, 수직으로 교차)하는 방향으로 형성하는 시도가 행해지고 있다.

그런데, 기존에는 제1채널과 제2채널을 서로 교차하는 방향으로 형성함에 따라, 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이의 기밀 성능은 보장할 수 있으나, 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 상호 접촉 면적(전기적 접촉 면적)이 저감(제1채널과 제2채널이 서로 평행한 구조에 비해 접촉 면적이 저감)됨에 따라, 애노드 분리판과 캐소드 분리판에서 발생하는 단위 면적당 전류가 제한(감소)될 뿐만 아니라 냉각 성능이 저하되는 문제점이 있고, 이로 인해, 수전해 셀의 성능이 저하되고, 안전성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

이에 따라, 최근에는 수전해 셀의 기밀 성능을 보장하면서 안전성 및 신뢰성을 향상시키기 위한 다양한 연구가 이루어지고 있으나, 아직 미흡하여 이에 대한 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예는 기밀 성능을 보장하면서 안전성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 전기 화학 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명의 실시예는 서로 인접한 분리판 간의 기밀 성능을 보장하면서, 서로 인접한 분리판 간의 접촉 면적을 확보할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예는 제1분리판에서 대상유체가 이동하는 제1채널과, 제2분리판에서 대상유체가 이동하는 제2채널을 서로 교차하는 방향으로 형성하면서, 제1분리판과 제2분리판의 상호 접촉 면적을 확보할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 전기 화학 장치의 성능 및 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 분리판의 구조적 강성을 향상시키고, 분리판의 변형 및 손상을 최소화하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예는 분리판 간의 정렬도를 높이고, 안전성 및 신뢰성을 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, 제1방향을 따라 제1채널 및 제1랜드가 마련되는 제1분리판, 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 제2채널 및 제2랜드가 마련되며 제1분리판에 적층되는 제2분리판, 및 제2분리판에 접촉 가능하게 제1채널 상에 배치되도록 제1분리판에 마련되는 접촉패턴을 포함한다.

이는, 전기 화학 장치의 기밀 성능(실링 성능)을 보장하면서 안전성 및 신뢰성을 향상시키기 위함이다.

즉, 기존에는 애노드 분리판에서 대상유체(예를 들어, 물)가 이동하는 제1채널과, 캐소드 분리판에서 대상유체(예를 들어, 수소)가 이동하는 제2채널을 서로 교차하는 방향으로 형성함에 따라, 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이의 기밀 성능은 보장할 수 있으나, 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 상호 접촉 면적(전기적 접촉 면적)이 저감(제1채널과 제2채널이 서로 평행한 구조에 비해 접촉 면적이 저감)됨에 따라, 애노드 분리판과 캐소드 분리판에서 발생하는 단위 면적당 전류가 제한(감소)될 뿐만 아니라 냉각 성능이 저하되는 문제점이 있고, 이로 인해, 수전해 셀의 성능이 저하되고, 안전성 및 신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.

하지만, 본 발명의 실시예는 제2분리판에 접촉 가능한 접촉패턴을 제1분리판의 제1채널 상에 마련하는 것에 의하여, 제2채널에 대응하는 제2분리판의 돌출부가 제1분리판에 접촉하는 면적 이외에, 접촉패턴을 매개로 제1분리판과 제2분리판의 상호 접촉 면적을 추가적으로 확보할 수 있으므로, 제1분리판과 제2분리판 사이의 기밀 성능을 보장하면서, 제1분리판과 제2분리판에서 발생하는 단위 면적당 전류를 향상시킬 수 있고, 냉각 성능을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

제2분리판에 대한 접촉패턴의 접촉 부위(위치)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 접촉패턴은 제1분리판을 마주하는 제2랜드의 배면에 접촉할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 접촉패턴은 제1분리판의 일부를 부분적으로 가공하여 제1분리판에 일체로 제공될 수 있다.

이와 같이, 제1분리판의 일부를 부분적으로 가공하여 접촉패턴을 형성하는 것에 의하여, 구조 및 제조 공정을 간소화하고, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1방향은 제2방향에 수직하게 정의될 수 있다.

접촉패턴은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조 및 형태로 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 접촉패턴은 제2방향을 따라 연속적인 직선 형태로 형성될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1분리판의 두께는 0.08~0.6㎜로 정해질 수 있다.

이와 같이, 제1분리판의 두께를 0.08~0.6㎜로 하는 것에 의하여, 금속 재질의 제1분리판에 접촉패턴을 가공(프레스 가공)할 시, 제1분리판의 손상을 최소화하고 접촉패턴의 가공성을 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2방향을 따른 제1채널의 폭은 1.5~7㎜로 정의될 수 있다.

이와 같이, 제2방향을 따른 제1채널의 폭을 1.5~7㎜로 하는 것에 의하여, 단위셀의 성능 저하를 최소화하면서, 접촉패턴의 가공성을 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1채널과 접촉패턴은 하기 수학식[1]을 만족할 수 있다.

[수학식 1]

0.2㎜ ≤ c'=(a-c)/2 ≤ 2㎜

여기서, a는 제2방향을 따른 제1채널의 폭이고, c는 제2방향을 따라 제2분리판에 접촉되는 접촉패턴의 접촉길이이며, c'는 (a-c)/2로 정의되는 길이이다.

이와 같이, c'((a-c)/2)가 0.2㎜ 이상이면서 2㎜ 이하가 되도록 하는 것에 의하여, 접촉패턴의 가공성을 확보하면서, 제1분리판과 제2분리판의 전기적 접촉 면적을 충분히 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1채널과 접촉패턴은 하기 수학식[2]을 만족할 수 있다.

[수학식 2]

0.2㎜ ≤ d'=(b-2e-d)/2 ≤ 2㎜

여기서, b는 접촉패턴을 기준으로 제1방향을 따라 접촉패턴의 양단에 각각 이격되게 정의되는 제1기준선과 제2기준선 사이의 거리이고, e는 제1방향을 따라 서로 인접하게 배치되는 접촉패턴의 사이 간격이고, d는 제1방향을 따라 제2분리판에 접촉되는 접촉패턴의 접촉폭이며, d'는 (b-2e-d)/2로 정의되는 길이이다.

이와 같이, d'((b-2e-d)/2)가 0.2㎜ 이상이면서 2㎜ 이하가 되도록 하는 것에 의하여, 접촉패턴의 가공성을 확보하면서, 제1분리판과 제2분리판의 전기적 접촉 면적을 충분히 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

바람직하게, 접촉패턴의 사이 간격(e)은 1.5㎜ 이상으로 정의될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1채널과 접촉패턴은 하기 수학식[3]을 만족할 수 있다.

[수학식 3]

d ＜ i

여기서, d는 제1방향을 따라 제2분리판에 접촉되는 접촉패턴의 접촉폭이고, i는 제1방향을 따른 제2랜드의 폭이다.

이와 같이, 제1방향을 따른 제2랜드의 폭을 제1방향을 따라 제2분리판에 접촉되는 접촉패턴의 접촉폭보다 크게 하는 것에 의하여, 제1분리판과 제2분리판의 상호 접촉 면적을 추가적으로 확보할 수 있으며, 단위셀의 적층시 제2분리판이 제1분리판의 정렬 가이드 역할을 수행할 수 있으므로, 단위셀(분리판) 간의 정렬도를 높이고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1채널과 접촉패턴은 하기 수학식[4]을 만족할 수 있다.

[수학식 4]

0.4㎜ ≤ h-g ≤ 1.5㎜

여기서, g는 단위셀의 적층 방향을 따른 제1분리판의 두께와 제1채널의 두께의 합으로 정해지는 두께이고, h는 단위셀의 적층 방향을 따른 제1분리판의 두께와 제1채널의 두께와 접촉패턴의 두께의 합으로 정해지는 두께이다.

이와 같이, h-g가 0.4㎜ 이상이면서 1.5㎜ 이하가 되도록 하는 것에 의하여, 대상유체의 이동 효과(맥동 효과)를 보장하면서 접촉패턴의 가공성을 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 접촉패턴은, 제1분리판으로부터 이격(돌출)되게 마련되며 제2분리판에 접촉되는 접촉부, 및 접촉부의 양단을 각각 제1분리판에 연결하는 연결부를 포함할 수 있다.

바람직하게, 연결부는 접촉부와 함께 제2분리판에 접촉 가능하게 제공될 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 실시예는, 접촉부가 제2분리판에 접촉함과 동시에 연결부가 제2분리판에 접촉하도록 하는 것에 의하여, 제1분리판과 제2분리판 간의 전기적 접촉 면적을 보다 확장할 수 있으므로, 전기 화학 장치의 성능 및 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

연결부는 제2분리판에 접촉 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 연결부는 제2분리판에 면접촉 가능하게 제공될 수 있다. 이를 위해, 제2랜드는, 제2분리판으로부터 이격되게 마련되는 랜드접촉부, 및 랜드접촉부와 제2분리판을 연결하는 랜드연결부를 포함하되, 접촉부와 연결부의 경계 모서리는 제1반경을 갖도록 정의되고, 랜드접촉부와 랜드연결부의 경계 모서리는 제1반경보다 작은 제2반경을 갖도록 정의될 수 있고, 연결부와 제1분리판의 경계 모서리는 제3반경을 갖도록 정의되고, 랜드연결부와 제2분리판의 경계 모서리는 제3반경보다 큰 제4반경을 갖도록 정의될 수 있다.

본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 제1방향을 따른 제1채널의 전구간 중 일부 구간에만 접촉패턴을 형성하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1채널은, 입구부, 입구부의 하류(down-stream)에 정의되는 중앙부, 중앙부의 하류(down-stream)에 정의되는 출구부를 포함할 수 있고, 접촉패턴은 입구부, 중앙부, 출구부 중 적어도 어느 하나에 마련될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1채널 및 제1랜드는 제2방향을 따라 교호적으로 배치되도록 복수개가 마련되되, 접촉패턴은 복수개의 제1채널 중 적어도 어느 하나에 마련될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1채널 및 제1랜드는 제2방향을 따라 교호적으로 배치되도록 복수개가 마련되되, 복수개의 제1채널 중 어느 하나에 마련되는 접촉패턴은, 복수개의 제1채널 중 다른 하나에 마련되는 접촉패턴과 제1방향을 따라 이격되게 마련될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 기밀 성능을 보장하면서 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명의 실시예에 따르면 서로 인접한 분리판 간의 기밀 성능을 보장하면서, 서로 인접한 분리판 간의 접촉 면적을 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명의 실시예에 따르면 제1분리판에서 대상유체가 이동하는 제1채널과, 제2분리판에서 대상유체가 이동하는 제2채널을 서로 교차하는 방향으로 형성하면서, 제1분리판과 제2분리판의 상호 접촉 면적을 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면 전기 화학 장치의 성능 및 효율을 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 분리판 간의 정렬도를 높이고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제1분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 제2분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 랜드 및 채널을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 D-D선 단면도이다.
도 5는 도 3의 E-E선 단면도이다.
도 6은 도 3의 F-F선 단면도이다.
도 7은 도 3의 G-G선 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 접촉패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 8의 A-A선 단면도이다.
도 10은 도 8의 B-B선 단면도이다.
도 11은 도 8의 C-C선 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 접촉패턴의 변형예를 설명하기 위한 도면이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치로서, 접촉패턴의 다른 실시예를 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 15를 참조하면, 전기 화학 장치(10)는, 제1방향을 따라 제1채널(110) 및 제1랜드(120)가 마련되는 제1분리판(100), 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 제2채널(210) 및 제2랜드(220)가 마련되며 제1분리판(100)에 적층되는 제2분리판(200), 및 제2분리판(200)에 접촉 가능하게 제1채널(110) 상에 배치되도록 제1분리판(100)에 마련되는 접촉패턴(400)을 포함한다.

참고로, 본 발명의 실시예에서 전기 화학 장치(10)라 함은, 물을 전기 화학적으로 분해하여 수소와 산소를 생산하는 장치인 수전해 스택(water electrolysis stack), 및 연료(예를 들어, 수소)의 화학적인 반응으로 전기에너지를 생산하는 장치인 연료전지 스택(fuel cell stack)을 모두 포함하는 것으로 정의된다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 전기 화학 장치(10)가, 물을 전기 화학 반응(Electrochemical Reaction)으로 분해하여 수소와 산소를 생산하는 수전해 스택으로 사용되는 예를 들어 설명하기로 한다.

수전해 스택(전기 화학 장치)은, 복수개의 단위셀을 기준 적층 방향(예를 들어, 도 1을 기준으로 상하 방향)으로 적층하여 마련될 수 있다.

보닥 구체적으로 단위셀은, 반응층(300), 반응층(300)의 일면에 적층되는 제1분리판(100), 및 반응층(300)의 다른 일면에 적층되는 제2분리판(200)을 포함할 수 있으며, 복수개의 단위셀을 기준 적층 방향으로 적층한 후, 그 양단에 엔드플레이트(미도시)를 조립함으로써 수전해 스택을 구성할 수 있다.

반응층(300)은 대상유체(예를 들어, 물)의 전기 화학 반응을 유발할 수 있는 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 반응층(300)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 반응층(300)은, 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(310), 막전극접합체(310)의 일면에 밀착되는 제1물질전달층(first porous transport layer)(320), 및 막전극접합체(310)의 다른 일면에 밀착되는 제2물질전달층(second porous transport layer)(330)을 포함할 수 있다.

막전극접합체(310)의 구조 및 재질은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 막전극접합체(310)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 막전극접합체(310)는, 전해질막(예를 들어, 과불소 술폰산계 이오노머 기반 전해질막: Perfluorinated Sulfonic Acid Ionomer-Based Membrane)의 양면에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층(예를 들어, 애노드층, 캐소드층)을 부착하여 구성될 수 있다.

제1물질전달층(320) 및 제2물질전달층(330)은 대상유체를 고르게 분포시키기 위해 마련되며, 소정 사이즈의 기공을 갖는 다공성 구조체로 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 11을 참조하면, 제1분리판(100) 및 제2분리판(200)은 반응층(300)과 함께 하나의 단위셀(수전해 셀)을 이루도록 마련되며, 반응층(300)에 의해 분리된 수소와 물을 차단하는 역할 외에, 수소와 물의 이동을 위한 유로(Flow Field)를 확보하는 역할을 수행할 수 있다.

또한, 제1분리판(100) 및 제2분리판(200)은 단위셀에서 발생된 열을 단위셀 전체에 분배하는 역할도 수행할 수 있고, 과도하게 발생된 열은 제1분리판(100) 및 제2분리판(200)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(100)이 수전해 스택에서 물(또는 물 및 산소)의 유로(채널)를 형성하는 애노드 분리판의 역할을 수행하고, 제2분리판(200)이 수전해 스택에서 수소의 유로(채널)를 형성하는 캐소드 분리판의 역할을 수행하는 예를 들어 설명하기로 한다. 다르게는, 제1분리판(100)이 캐소드 분리판의 역할을 수행하고, 제2분리판(200)이 애노드 분리판의 역할을 수행하도록 구성하는 것도 가능하다.

보다 구체적으로, 제1분리판(100)은 반응층(300)의 일면(도 4를 기준으로 반응층의 저면)을 덮도록 마련되며, 반응층(300)을 마주하는 제1분리판(100)의 일면에는 제1방향을 따라 제1채널(110) 및 제1랜드(120)가 마련된다.

이하에서는 제1방향이 도 4를 기준으로 수평 방향(좌우 방향)을 따라 정의된 예를 들어 설명하기로 한다. 다르게는 수직 방향(예를 들어, 도 4 기준) 또는 여타 다른 방향을 따라 제1방향을 정의하는 것도 가능하다.

제1랜드(120)는 반응층(300)과 접촉되어 전기적 통로 역할을 하도록 마련되고, 제1채널(110)은 전기 화학 반응을 위한 반응 영역을 형성하도록 서로 인접한 제1랜드(120)의 사이에 마련된다. 예를 들어, 제1채널(110)은 물(또는 물 및 산소)이 이동하는 애노드 채널의 역할을 수행할 수 있다.

제1분리판(100)은 제1채널(110)을 갖는 다양한 구조 및 재질로 형성될 수 있으며, 제1분리판(100)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제1분리판(100)은 대략 사각 플레이트 형태로 형성될 수 있고, 제1채널(110)은 제1분리판(100)의 대략 중앙부(110b)에 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1분리판을 원형 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1분리판(100)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. 이하에서는 제1분리판(100)이 금속으로 형성된 예를 들어 설명하기로 한다.

제1채널(110)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제1채널(110)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제1채널(110)은 제1방향을 따라 직선 형태로 제공될 수 있다. 다르게는 제1채널(110)을 곡선 형태 또는 여타 다른 형태로 구현하는 것도 가능하다.

또한, 제1분리판(100)에는 물(또는 물 및 산소) 또는 수소의 출입(공급 및 배출)을 위한 복수개의 매니폴드유로(102,104,106)가 마련된다.

일 예로, 제1방향을 따른 제1분리판(100)의 일단(도 1을 기준으로 좌단)에는 물이 공급되는 제1-1매니폴드유로(102)가 마련될 수 있고, 제1방향을 따른 제1분리판(100)의 다른 일단(도 1을 기준으로 우단)에는 물 및 산소가 배출되는 제1-2매니폴드유로(104)가 마련될 수 있다. 제1-1매니폴드유로(102)에 유입된 물은 제1채널(110)을 거친 후 제1-2매니폴드유로(104)를 통해 배출될 수 있다.

또한, 제2방향을 따른 제1분리판(100)의 양단(도 1을 기준으로 상단 및 하단)에는 수소가 배출되는 제1-3매니폴드유로(106)가 마련될 수 있다.

각 매니폴드유로(102,104,106)의 개수 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 각 매니폴드유로(102,104,106)의 개수 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

제2분리판(200)은, 반응층(300)의 다른 일면(도 4을 기준으로 반응층(300)의 상면)을 덮도록 마련되며, 반응층(300)을 마주하는 제2분리판(200)의 일면에는 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 제2채널(210) 및 제2랜드(220)가 마련된다.

또한, 제2분리판(200)은 인접한 다른 단위셀의 제1분리판(100)의 다른 일면(도 5를 기준으로 저면)을 마주하도록 배치된다. 보다 구체적으로, 제2채널(210)에 대응하는 제2분리판(200)의 돌출부는 제1분리판(100)의 일면(도 5를 기준으로 저면)에 접촉(밀착)될 수 있다.

일 예로, 제1방향은 제2방향에 수직하게 정의될 수 있다. 이하에서는 제2방향이 도 4를 기준으로 수직 방향(상하 방향)을 따라 정의된 예를 들어 설명하기로 한다. 다르게는 수평 방향(예를 들어, 도 4 기준) 또는 여타 다른 방향을 따라 제2방향을 정의하는 것도 가능하다.

참고로, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1방향에 대해 제2방향이 수직하게 정의된 예를 들어, 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제1방향에 대해 경사지게 제2방향을 정의하는 것도 가능하다.

제2랜드(220)는 반응층(300)과 접촉되어 전기적 통로 역할을 하도록 마련되고, 제2채널(210)은 전기 화학 반응을 위한 반응 영역을 형성하도록 서로 인접한 제2랜드(220)의 사이에 마련된다. 예를 들어, 제2채널(210)은 수소가 이동하는 캐소드 채널의 역할을 수행할 수 있다.

제2분리판(200)은 제2채널(210)을 갖는 다양한 구조 및 재질로 형성될 수 있으며, 제2분리판(200)의 구조 및 재질에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제2분리판(200)은 제1분리판(100)에 대응하는 대략 사각 플레이트 형태로 형성될 수 있고, 제2채널(210)은 제2분리판(200)의 대략 중앙부(110b)에 형성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 제2분리판을 원형 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제2분리판(200)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. 이하에서는 제2분리판(200)이 금속으로 형성된 예를 들어 설명하기로 한다.

제2채널(210)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 제2채널(210)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 제2채널(210)은 제2방향을 따라 직선 형태로 제공될 수 있다. 다르게는 제2채널(210)을 곡선 형태 또는 여타 다른 형태로 구현하는 것도 가능하다.

또한, 제2분리판(200)에는 수소 또는 물(또는 물 및 산소)의 출입(공급 및 배출)을 위한 복수개의 매니폴드유로(202,204,206)가 마련된다.

일 예로, 제2방향을 따른 제2분리판(200)의 양단(도 2을 기준으로 상단 및 하단)에는 수소가 배출되는 제2-3매니폴드유로(206)가 마련될 수 있고, 제2채널(210)을 따라 유동하는 수소는 제2-3매니폴드유로(206)를 통해 배출될 수 있다.

또한, 제1방향을 따른 제2분리판(200)의 일단(도 2을 기준으로 우단)에는 물이 공급되는 제2-1매니폴드유로(204)가 마련될 수 있고, 제2방향을 따른 제2분리판(200)의 다른 일단(도 2을 기준으로 좌단)에는 물 및 산소가 배출되는 제2-2매니폴드유로(202)가 마련될 수 있다.

각 매니폴드유로(202,204,206)의 개수 및 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 각 매니폴드유로(202,204,206)의 개수 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 제1분리판(100)의 제1채널(110)과 제2분리판(200)의 제2채널(210)을 서로 수직하게 배치하고, 수소의 출입을 위한 매니폴드유로(예를 들어, 제1-3매니폴드유로,제2-3매니폴드유로)와 물(또는 물 및 산소)의 출입을 위한 매니폴드유로(예를 들어, 제1-1매니폴드유로,제1-2매니폴드유로,제2-1매니폴드유로,제2-1매니폴드유로)가 서로 수직하게 일정 간격을 두고 배치되도록 하는 것에 의하여, 제1분리판(100)과 제2분리판(200) 사이의 기밀 성능(특히, 고압의 수소 기밀 성능)을 효과적으로 확보하고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도 3 내지 도 11을 참조하면, 접촉패턴(400)은 제1분리판(100)과 제2분리판(200) 간의 접촉 면적(전기적 접촉 면적)을 추가적으로 확보하기 위해 마련된다.

여기서, 제1분리판(100)과 제2분리판(200) 간의 접촉 면적을 추가적으로 확보한다 함은, 제2채널(210)에 대응하는 제2분리판(200)의 돌출부가 제1분리판(100)에 접촉하는 면적 이외에, 제1분리판(100)과 제2분리판(200) 간의 상호 접촉 면적을 추가적으로 확보하는 것으로 정의된다.

보다 구체적으로, 접촉패턴(400)은 제2분리판(200)에 접촉 가능하게 제1채널(110) 상에 배치되도록 제1분리판(100)에 마련된다.

이는, 제1분리판(100)의 제1채널(110)과 제2분리판(200)의 제2채널(210)을 서로 수직하게 배치하면, 제1분리판(100)과 제2분리판(200) 사이의 기밀 성능은 안정적으로 확보할 수 있으나, 제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 상호 접촉 면적이 저감됨에 따라, 제1분리판(100)과 제2분리판(200)에서 발생하는 단위 면적당 전류가 제한(감소)되고, 냉각 성능이 저하된다는 것에 기인한 것이다.

하지만, 본 발명의 실시예는, 제2분리판(200)에 접촉 가능한 접촉패턴(400)을 제1분리판(100)의 제1채널(110) 상에 마련하는 것에 의하여, 제2채널(210)에 대응하는 제2분리판(200)의 돌출부가 제1분리판(100)에 접촉하는 면적(기본 접촉 면적) 이외에, 접촉패턴(400)을 매개로 제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 상호 접촉 면적을 추가적으로 확보할 수 있으므로, 제1분리판(100)과 제2분리판(200) 사이의 기밀 성능을 보장하면서, 제1분리판(100)과 제2분리판(200)에서 발생하는 단위 면적당 전류를 향상시킬 수 있고, 냉각 성능을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

다시 말해서, 제1분리판(100)에 별도의 접촉패턴(400)이 마련되지 않지 않은 경우, 제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 상호 접촉 면적은, 제2채널(210)에 대응하는 제2분리판(200)의 돌출부가 제1분리판(100)에 접촉하는 면적(기본 접촉 면적)으로 정의될 수 있다. 반면, 제1분리판(100)에 접촉패턴(400)이 마련된 경우, 제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 상호 접촉 면적은, 제2채널(210)에 대응하는 제2분리판(200)의 돌출부가 제1분리판(100)에 접촉하는 면적(기본 접촉 면적)과, 접촉패턴(400)이 제2분리판(200)에 접촉하는 면적(추가 접촉 면적)의 총 합으로 정의될 수 있다.

제2분리판(200)에 대한 접촉패턴(400)의 접촉 부위(위치)는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있으며, 제2분리판(200)에 대한 접촉패턴(400)의 접촉 부위에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 접촉패턴(400)은 제1분리판(100)을 마주하는 제2랜드(220)의 배면(도 5를 기준으로 상면)에 접촉하도록 제1채널(110) 상에 마련될 수 있다.

이하에서는, 제1채널(110) 및 제1랜드(120)가 제2방향을 따라 교호적으로 배치되도록 복수개가 마련되고, 각각의 제1채널(110)에 접촉패턴(400)이 규칙적인 간격으로 이격되게 마련된 예를 들어 설명하기로 한다.

바람직하게, 접촉패턴(400)은 제1분리판(100)의 일부를 부분적으로 가공하여 제1분리판(100)에 일체로 제공될 수 있다.

보다 구체적으로, 접촉패턴(400)은 제1채널(110)에 대응하는 제1분리판(100)의 일면(도 5를 기준으로 상면)을 부분적으로 가압(예를 들어, 프레스 가공)함으로써, 제1분리판(100)의 다른 일면(도 5를 기준으로 저면)으로 돌출되게 형성될 수 있다.

더욱 바람직하게, 접촉패턴(400)은 제1분리판(100)에 제1채널(110)을 형성하는 공정 중에 함께 성형될 수 있다. 이와 같이, 제1분리판(100)의 일부를 부분적으로 가공하여 접촉패턴(400)을 형성하는 것에 의하여, 구조 및 제조 공정을 간소화하고, 제조 원가를 절감하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1분리판(100)의 일부를 부분적으로 가공하여 제1분리판(100)에 일체로 접촉패턴(400)이 형성된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1분리판에 별도의 부재를 부착 또는 결합하여 접촉패턴을 형성하는 것도 가능하다. 다르게는, 식각, 절삭 가공에 등에 의해 제1분리판에 접촉패턴을 형성하는 것도 가능하다.

접촉패턴(400)은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조 및 형태로 제공될 수 있으며, 접촉패턴(400)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 접촉패턴(400)은 제2방향을 따라 제1채널(110)을 가로지르는 연속적인 직선 형태로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 접촉패턴을 곡선 형태, 돔(dome) 형태, 링(ring) 형태 또는 여타 다른 형태로 형성하는 것도 가능하다.

도 3 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1분리판(100)의 두께(도 9의 f 참조)는 0.08~0.6㎜로 정해질 수 있다.

이와 같이, 제1분리판(100)의 두께(f)를 0.08~0.6㎜로 하는 것에 의하여, 금속(예를 들어, 티타늄, 스테인리스 스틸) 재질의 제1분리판(100)에 접촉패턴(400)을 가공(프레스 가공)할 시, 제1분리판(100)의 손상을 최소화하고 접촉패턴(400)의 가공성을 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 제1분리판(100)의 두께가 0.08㎜보다 작으면, 제1분리판(100)에 접촉패턴(400)을 가공할 시 제1분리판(100)이 쉽게 손상될 수 있다. 반면, 제1분리판(100)의 두께가 0.6㎜보다 크면, 제1분리판(100)의 구조적 강성은 확보할 수 있으나, 접촉패턴(400)의 가공성이 저하되고 접촉패턴(400)을 의도하는 구조 및 형태로 정확하게 가공하기 어려운 문제점이 있다. 따라서, 제1분리판(100)의 두께(f)는 0.08~0.6㎜로 정해지는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게, 제1분리판(100)의 두께(f)는 0.4~0.6㎜로 정해질 수 있다.

도 3 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제2방향을 따른 제1채널(110)의 폭(도 8의 a 참조)은 1.5~7㎜로 정의될 수 있다.

이와 같이, 제2방향을 따른 제1채널(110)의 폭(a)을 1.5~7㎜로 하는 것에 의하여, 단위셀의 성능 저하를 최소화하면서, 접촉패턴(400)의 가공성을 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

즉, 제2방향을 따른 제1채널(110)의 폭이 1.5㎜보다 작으면, 제1채널(110) 상에 접촉패턴(400)을 가공하는 공정이 어려운 문제점이 있다. 반면, 제2방향을 따른 제1채널(110)의 폭이 7㎜보다 크면, 단위셀의 성능 저하를 초래하는 문제점이 있다. 따라서, 제2방향을 따른 제1채널(110)의 폭(a)은 1.5~7㎜로 정해지는 것이 바람직하다.

도 3 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1채널(110)과 접촉패턴(400)은 하기 수학식[1]을 만족할 수 있다.

[수학식 1]

0.2㎜ ≤ c'=(a-c)/2 ≤ 2㎜

여기서, a는 제2방향을 따른 제1채널(110)의 폭이고, c는 제2방향을 따라 제2분리판(200)에 접촉되는 접촉패턴(400)의 접촉길이이며, c'는 (a-c)/2로 정의되는 길이이다.

이와 같이, c'((a-c)/2)가 0.2㎜ 이상이면서 2㎜ 이하가 되도록 하는 것에 의하여, 접촉패턴(400)의 가공성을 확보하면서, 제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 전기적 접촉 면적을 충분히 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

즉, c'((a-c)/2)가 0.2㎜보다 작으면, 제1채널(110) 상에 접촉패턴(400)을 가공하는 공정이 어려운 문제점이 있다. 반면, c'((a-c)/2)가 2㎜보다 크면, 접촉패턴(400)에 의한 접촉 면적(제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 전기적 접촉 면적)을 충분하게 확보하기 어려운 문제점이 있다. 따라서, c'((a-c)/2)는 0.2㎜ 이상이면서 2㎜ 이하로 정해지는 것이 바람직하다.

도 3 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1채널(110)과 접촉패턴(400)은 하기 수학식[2]을 만족할 수 있다.

[수학식 2]

0.2㎜ ≤ d'=(b-2e-d)/2 ≤ 2㎜

여기서, b는 접촉패턴(400)을 기준으로 제1방향을 따라 접촉패턴(400)의 양단에 각각 이격되게 정의되는 제1기준선(S1)과 제2기준선(S2) 사이의 거리(기준피치)이고, e는 제1방향을 따라 서로 인접하게 배치되는 접촉패턴(400)의 사이 간격이고, d는 제1방향을 따라 제2분리판(200)에 접촉되는 접촉패턴(400)의 접촉폭이며, d'는 (b-2e-d)/2로 정의되는 길이이다.

이와 같이, d'((b-2e-d)/2)가 0.2㎜ 이상이면서 2㎜ 이하가 되도록 하는 것에 의하여, 접촉패턴(400)의 가공성을 확보하면서, 제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 전기적 접촉 면적을 충분히 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

즉, d'((b-2e-d)/2)가 0.2㎜보다 작으면, 제1채널(110) 상에 접촉패턴(400)을 가공하는 공정이 어려운 문제점이 있다. 반면, d'((b-2e-d)/2)가 2㎜보다 크면, 접촉패턴(400)에 의한 접촉 면적(제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 전기적 접촉 면적)을 충분하게 확보하기 어려운 문제점이 있다. 따라서, d'((b-2e-d)/2)는 0.2㎜ 이상이면서 2㎜ 이하로 정해지는 것이 바람직하다.

바람직하게, 접촉패턴(400)의 사이 간격(e)은 1.5㎜ 이상으로 정의될 수 있다.

즉, 접촉패턴(400)의 사이 간격(e)이 1.5㎜보다 작으면, 제1분리판(100)에 제1채널(110)을 가공하는 공정이 어려울 뿐만 아니라, 제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 접촉 면적이 오히려 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 접촉패턴(400)의 사이 간격(e)은 1.5㎜ 이상으로 정해지는 것이 바람직하다.

도 3 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1채널(110)과 접촉패턴(400)은 하기 수학식[3]을 만족할 수 있다.

[수학식 3]

d ＜ i

여기서, d는 제1방향을 따라 제2분리판(200)에 접촉되는 접촉패턴(400)의 접촉폭이고, i는 제1방향을 따른 제2랜드(220)의 폭이다.

이와 같이, 제1방향을 따른 제2랜드(220)의 폭(도 4의 i 참조)을 제1방향을 따라 제2분리판(200)에 접촉되는 접촉패턴(400)의 접촉폭(도 8의 d 참조)보다 크게 하는 것에 의하여, 제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 상호 접촉 면적을 추가적으로 확보할 수 있으며, 단위셀의 적층시 제2분리판(200)이 제1분리판(100)의 정렬 가이드 역할을 수행할 수 있으므로, 단위셀(분리판) 간의 정렬도를 높이고, 안전성 및 신뢰성을 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 참고로, 도 4에서 'j'는 제1방향을 따른 제2채널(210)의 폭을 나타낸다.

도 3 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1채널(110)과 접촉패턴(400)은 하기 수학식[4]을 만족할 수 있다.

[수학식 4]

0.4㎜ ≤ h-g ≤ 1.5㎜

여기서, g는 단위셀의 적층 방향(D3)을 따른 제1분리판(100)의 두께와 제1채널(110)의 두께의 합으로 정해지는 두께(도 10 참조)이고, h는 단위셀의 적층 방향(D3)을 따른 제1분리판(100)의 두께와 제1채널(110)의 두께와 접촉패턴(400)의 두께의 합으로 정해지는 두께(도 11 참조)이다.

이와 같이, h-g가 0.4㎜ 이상이면서 1.5㎜ 이하가 되도록 하는 것에 의하여, 대상유체의 이동 효과(맥동 효과)를 보장하면서 접촉패턴(400)의 가공성을 확보하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

즉, h-g가 0.4㎜보다 작으면, 제1채널(110)을 따라 이동하는 대상유체의 이동 효과(맥동 효과)가 저하될 수 있다. 반면, h-g가 1.5㎜보다 크면, 제1채널(110) 상에 접촉패턴(400)을 가공하는 공정에 제약이 따르는 문제점이 있다. 따라서, h-g는 0.4㎜ 이상이면서 1.5㎜ 이하로 정해지는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 제1분리판(100)의 두께와 제1채널(110)의 두께의 합으로 정해지는 두께(g)는, (+)공차를 갖도록 정의되고, 제1분리판(100)의 두께와 제1채널(110)의 두께와 접촉패턴(400)의 두께의 합으로 정해지는 두께(h)는, (-)공차를 갖도록 정의될 수 있다.

이와 같이, g가 (+)공차를 갖고, h가 (-)공차를 갖도록 하는 것에 의하여, 단위셀의 적층시, 제2채널(210)에 대응하는 제2분리판(200)의 돌출부를 먼저 제1분리판(100)에 접촉시켜 기본적인 접촉 면적(기본 접촉 면적)을 확보한 상태에서, 추가적인 체결 압력에 의해 접촉패턴(400)이 제2분리판(200)에 접촉되도록 하여 제1분리판(100)과 제2분리판(200)의 접촉 면적을 추가적으로 확보(접촉패턴(400)에 의한 접촉 면적으로 추가적으로 확보)할 수 있다.

한편, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 접촉패턴(400)의 일부 부위(예를 들어, 접촉부)만이 단독적으로 제2분리판(200)에 접촉되는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 접촉패턴(400')의 적어도 2지점 이상이 제2분리판(200)에 접촉되도록 구성하는 것도 가능하다.

일 예로, 도 12를 참조하면, 접촉패턴(400')은, 제1분리판(100)으로부터 이격(돌출)되게 마련되며 제2분리판(200)에 접촉되는 접촉부(400a), 및 접촉부(400a)의 양단을 각각 제1분리판(100)에 연결하는 연결부(400b)를 포함할 수 있다.

바람직하게, 연결부(400b)는 접촉부(400a)와 함께 제2분리판(200)에 접촉 가능하게 제공될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는, 접촉부(400a)가 제2분리판(200)에 접촉함과 동시에 연결부(400b)가 제2분리판(200)에 접촉하도록 하는 것에 의하여, 제1분리판(100)과 제2분리판(200) 간의 전기적 접촉 면적을 보다 확장할 수 있으므로, 전기 화학 장치(10)의 성능 및 효율을 보다 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

연결부(400b)는 제2분리판(200)에 접촉 가능한 다양한 구조로 제공될 수 있으며, 연결부(400b)의 구조 및 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

바람직하게, 연결부(400b)는 제2분리판(200)에 면접촉 가능한 직선 형태로 제공될 수 있다. 이를 위해, 제2랜드(220)는, 제2분리판(200)으로부터 이격되게 마련되는 랜드접촉부(220a), 및 랜드접촉부(220a)와 제2분리판(200)을 연결하는 랜드연결부(220b)를 포함하되, 접촉부(400a)와 연결부(400b)의 경계 모서리는 제1반경(R1)을 갖도록 정의되고, 랜드접촉부(220a)와 랜드연결부(220b)의 경계 모서리는 제1반경보다 작은 제2반경(R2)을 갖도록 정의될 수 있고, 연결부(400b)와 제1분리판(100)의 경계 모서리는 제3반경(R3)을 갖도록 정의되고, 랜드연결부(220b)와 제2분리판(200)의 경계 모서리는 제3반경(R3)보다 큰 제4반경(R4)을 갖도록 정의될 수 있다. 도 12에서 'h'는 연결부(400b)가 제2분리판(200)에 면접촉하는 구간으로 이해될 수 있다.

전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 연결부(400b)가 대략 직선 형태로 형성되어 제2분리판(200)에 면접촉하는 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 연결부를 제2분리판에 선접촉(또는 점접촉) 가능한 곡선 형태(예를 들어, 호 형태)로 형성하는 것도 가능하다.

전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1방향을 따른 제1채널(110)의 전구간에 접촉패턴(400)이 마련된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1방향을 따른 제1채널(110)의 전체 구간 중 일부 구간에만 접촉패턴(400)을 형성하는 것도 가능하다.

즉, 도 13을 참조하면, 제1채널(110)은, 입구부(110a), 입구부(110a)의 하류(down-stream)에 정의되는 중앙부(110b), 중앙부(110b)의 하류(down-stream)에 정의되는 출구부(110c)를 포함할 수 있고, 접촉패턴(400)은 입구부(110a), 중앙부(110b), 출구부(110c) 중 적어도 어느 하나에 마련될 수 있다.

예를 들어, 접촉패턴(400)은 중앙부(110b)에만 마련되거나, 입구부(110a) 및 중앙부(110b)에 함께 마련될 수 있다. 다르게는 접촉패턴(400)을 출구부(110c)에만 마련하거나, 입구부(110a) 및 출구부(110c)에 함께 마련하는 것도 가능하다.

또한, 전술 및 도시한 본 발명의 실시예에서는 제1채널(110) 및 제1랜드(120)가 제2방향을 따라 교호적으로 배치되도록 복수개가 마련되고, 각각의 제1채널(110)에 접촉패턴(400)이 규칙적인 간격으로 이격되게 마련된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 복수개의 제1채널 중 일부에만 접촉패턴(400)을 형성하거나, 접촉패턴(400)을 불규칙적으로 배열하는 것도 가능하다.

도 14를 참조하면, 제1채널(110) 및 제1랜드(120)는 제2방향을 따라 교호적으로 배치되도록 복수개가 마련되되, 접촉패턴(400)은 복수개의 제1채널(110) 중 특정 일부에만 마련될 수 있다.

도 15를 참조하면, 제1채널(110) 및 제1랜드(120)는 제2방향을 따라 교호적으로 배치되도록 복수개가 마련되되, 복수개의 제1채널(110) 중 어느 하나에 마련되는 접촉패턴(400)은, 복수개의 제1채널(110) 중 다른 하나에 마련되는 접촉패턴(400)과 제1방향을 따라 이격되게 마련될 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 제1채널(110)에 마련되는 접촉패턴(400)은 제1방향에 대해 대략 45도로 경사진 방향을 따라 배치될 수 있다. 다르게는, 복수개의 접촉패턴(400)을 불규칙한 간격으로 배열하는 것이 가능하며, 접촉패턴(400)의 배열 간격 및 배열 형태에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

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 : 제1분리판
102 : 제1-1매니폴드유로
104 : 제1-2매니폴드유로
106 : 제1-3매니폴드유로
110 : 제1채널
110a : 입구부
110b : 중앙부
110c : 출구부
120 : 제1랜드
200 : 제2분리판
202 : 제2-2매니폴드유로
204 : 제2-1매니폴드유로
206 : 제2-3매니폴드유로
210 : 제2채널
220 : 제2랜드
220a : 랜드접촉부
220b : 랜드연결부
300 : 반응층
310 : 막전극접합체
320 : 가스확산층
330 : 물질전달층
400,400' : 접촉패턴
400a : 접촉부
400b : 연결부

Claims (19)

1. 제1방향을 따라 제1채널 및 제1랜드가 마련되는 제1분리판;
   상기 제1방향에 교차하는 제2방향을 따라 제2채널 및 제2랜드가 마련되며, 상기 제1분리판에 적층되는 제2분리판; 및
   상기 제2분리판에 접촉 가능하게 상기 제1채널 상에 배치되도록 상기 제1분리판에 마련되는 접촉패턴;
   을 포함하는 전기 화학 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 접촉패턴은 상기 제1분리판을 마주하는 상기 제2랜드의 배면에 접촉하는 전기 화학 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 접촉패턴은 상기 제1분리판의 일부를 부분적으로 가공하여 상기 제1분리판에 일체로 제공되는 전기 화학 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1방향은 상기 제2방향에 수직하게 정의되는 전기 화학 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 접촉패턴은 상기 제2방향을 따라 연속적인 직선 형태로 정의되는 전기 화학 장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1분리판의 두께는 0.08~0.6㎜로 정의되는 전기 화학 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2방향을 따른 상기 제1채널의 폭은 1.5~7㎜로 정의되는 전기 화학 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1채널과 상기 접촉패턴은 하기 수학식[1]을 만족하는 전기 화학 장치.
   [수학식 1]
   0.2㎜ ≤ c'=(a-c)/2 ≤ 2㎜
   (여기서, a는 상기 제2방향을 따른 상기 제1채널의 폭이고, c는 상기 제2방향을 따라 상기 제2분리판에 접촉되는 상기 접촉패턴의 접촉길이이며, c'는 (a-c)/2로 정의되는 길이이다.)
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1채널과 상기 접촉패턴은 하기 수학식[2]을 만족하는 전기 화학 장치.
   [수학식 2]
   0.2㎜ ≤ d'=(b-2e-d)/2 ≤ 2㎜
   (여기서, b는 상기 접촉패턴을 기준으로 상기 제1방향을 따라 상기 접촉패턴의 양단에 각각 이격되게 정의되는 제1기준선과 제2기준선 사이의 거리이고, e는 상기 제1방향을 따라 서로 인접하게 배치되는 상기 접촉패턴의 사이 간격이고, d는 상기 제1방향을 따라 상기 제2분리판에 접촉되는 상기 접촉패턴의 접촉폭이며, d'는 (b-2e-d)/2로 정의되는 길이이다.)
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 접촉패턴의 사이 간격(e)은 1.5㎜ 이상으로 정의되는 전기 화학 장치.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 접촉패턴과 상기 제2분리판은 하기 수학식[3]을 만족하는 전기 화학 장치.
    [수학식 3]
    d ＜ i
    (여기서, i는 상기 제1방향을 따른 상기 제2랜드의 폭이다.)
    
12. 제1항에 있어서,
    상기 제1채널과 상기 접촉패턴은 하기 수학식[4]를 만족하는 전기 화학 장치.
    [수학식 4]
    0.4㎜ ≤ h-g ≤ 1.5㎜
    (여기서, g는 상기 제1분리판의 두께와 상기 제1채널의 두께의 합으로 정해지는 두께이고, h는 상기 제1분리판의 두께와 상기 제1채널의 두께와 상기 접촉패턴의 두께의 합으로 정해지는 두께이다.)
    
13. 제1항에 있어서,
    상기 접촉패턴은,
    상기 제1분리판으로부터 이격되게 마련되며, 상기 제2분리판에 접촉되는 접촉부; 및
    상기 접촉부와 상기 제1분리판을 연결하는 연결부;
    를 포함하는 전기 화학 장치.
    
14. 제13항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 제2분리판에 접촉 가능하게 제공되는 전기 화학 장치.
    
15. 제14항에 있어서,
    상기 연결부는 상기 제2분리판에 면접촉 가능하게 마련되는 전기 화학 장치.
    
16. 제15항에 있어서,
    상기 제2랜드는,
    상기 제2분리판으로부터 이격되게 마련되는 랜드접촉부; 및
    상기 랜드접촉부와 상기 제2분리판을 연결하는 랜드연결부;를 포함하되,
    상기 접촉부와 상기 연결부의 경계 모서리는 제1반경을 갖도록 정의되고, 상기 랜드접촉부와 상기 랜드연결부의 경계 모서리는 상기 제1반경보다 작은 제2반경을 갖도록 정의되며,
    상기 연결부와 상기 제1분리판의 경계 모서리는 제3반경을 갖도록 정의되고, 상기 랜드연결부와 상기 제2분리판의 경계 모서리는 상기 제3반경보다 큰 제4반경을 갖도록 정의되는 전기 화학 장치.
    
17. 제1항에 있어서,
    상기 제1채널 및 상기 제1랜드는 상기 제2방향을 따라 교호적으로 배치되도록 복수개가 마련되되,
    상기 접촉패턴은 복수개의 상기 제1채널 중 적어도 어느 하나에 마련되는 전기 화학 장치.
    
18. 제1항에 있어서,
    상기 제1채널 및 상기 제1랜드는 상기 제2방향을 따라 교호적으로 배치되도록 복수개가 마련되되,
    복수개의 상기 제1채널 중 어느 하나에 마련되는 상기 접촉패턴은, 복수개의 상기 제1채널 중 다른 하나에 마련되는 상기 접촉패턴과 상기 제1방향을 따라 이격되게 마련되는 전기 화학 장치.
    
19. 제1항에 있어서,
    상기 제1채널은,
    입구부;
    상기 입구부의 하류(down-stream)에 정의되는 중앙부;
    상기 중앙부의 하류(down-stream)에 정의되는 출구부;를 포함하고,
    상기 접촉패턴은 상기 입구부, 상기 중앙부, 상기 출구부 중 적어도 어느 하나에 마련되는 전기 화학 장치.
    

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